一種家用電烤箱控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 蘇紅衛(wèi)

近年來，西式甜點在中國變得十分流行，電烤箱作為家用的主要烘焙工具也越來越受到大家的追捧，經(jīng)濟(jì)實用的電烤箱是銷售量最快的產(chǎn)品。它主要利用電熱元件發(fā)出的輻射熱烘烤食物，我們可以利用它烘烤面包、制作糕點、烤雞、烤鴨等，根據(jù)烘烤食品的不同需要，電烤箱的溫度一般可在50-250℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。家用電烤箱的使用給我們的生活帶來了很多便利，也提高了我們的幸福感指數(shù)。

本文介紹了以賽元SC92F8463BM芯片為主控芯片的家用電烤箱控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計可實現(xiàn)通過觸摸按鍵對電烤箱的溫度進(jìn)行控制及顯示，四種烘烤功能的轉(zhuǎn)換及顯示，掉電保護(hù)等。本文采用模塊化思想設(shè)計外圍硬件電路，硬件電路包括按鍵電路，溫度檢測模塊，LED指示燈，數(shù)碼顯示電路，編碼器旋鈕調(diào)節(jié)，蜂鳴器，掉電記憶等。軟件設(shè)計采用C語言程序?qū)崿F(xiàn)，可實現(xiàn)通過觸摸按鍵對電烤箱的溫度進(jìn)行控制及顯示，四種烘烤功能的轉(zhuǎn)換及顯示，掉電保護(hù)等。此家用電烤箱控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合實際情況，優(yōu)化了基本性能，給我們的生活帶來很多方便。

1 整體設(shè)計方案

本文中家用電烤箱的CKS-TX-S5T10控制板卡系統(tǒng)主要包括按鍵電路，NTC溫度檢測，LED指示燈電路，數(shù)碼管時間溫度顯示，編碼器旋鈕調(diào)節(jié)，蜂鳴器，掉電記憶等部分組成。各個電路模塊的關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路框圖

CKS-TX-S5T10這款板卡的具體需求：

操作方式為8種觸摸鍵+旋鈕操作；

通過指示燈顏色來區(qū)分其功能，加熱指示燈皆為白色LED顯示，cancel指示燈為紅色LED顯示，Start指示燈為綠色LED顯示；

旋鈕時間溫度調(diào)整旋鈕，既能旋轉(zhuǎn)又能按，旋調(diào)整數(shù)據(jù)，待機(jī)狀態(tài)長按數(shù)據(jù)恢復(fù)出廠；

雙數(shù)碼管顯示，左數(shù)碼管顯示時間，右數(shù)碼管顯示溫度。數(shù)碼管顯示白色；

溫度默認(rèn)單位：華氏溫標(biāo)℉；可華氏度攝氏度切換；

溫度控制誤差：±20℉；

蜂鳴器輸出頻率：2KHz 誤差：±2%；

NTC短路、開路保護(hù)；

460-480F華氏度保護(hù)（達(dá)此溫度直接結(jié)束工作）回到待機(jī)狀態(tài)；

供電：AC 120V～127V 60Hz。

根據(jù)上述需求，對該家用電烤箱控制系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 MCU控制電路

基于家用電烤箱的功能需求及成本考慮，本文中的MCU控制電路采用賽元SC92F8463BM芯片為主控芯片，它有28個引腳，該芯片設(shè)計方便，價格低廉，并且完全滿足整體設(shè)計需求，SC92F8463BM芯片簡介如下：

SC92F8463BM內(nèi)建一個23通道的可低功耗雙模電容觸控電路，觸控電路可選擇在STOP Mode下運(yùn)行。SC92F8463BM還集成有16Kbytes Flash ROM，1Kbytes SRAM，128 bytesEEPROM，最多26個GPIO，13個IO可外部中斷，3個16位定時器，11路12位高精度ADC，6路獨立10位PWM，內(nèi)部1%高精度高頻12/6/2MHz振蕩器和4%精度低頻128K振蕩器，可外接晶體振蕩器，一個UART，一個UART/SPI/IIC三選一通信口SSI。

工作電壓：2.4V-5.5V；

工作溫度：-40℃-85℃；

16Kbytes Flash ROM；

EEPROM：128 bytes；

最大26個雙向可獨立控制的I/O口，可獨立設(shè)定上拉電阻；

全部I/O具有大灌電流驅(qū)動能力（70mA）；

23通道可低功耗雙模電容觸控電路，可配置為高敏度模式或高可靠性模式；

11路12位±2LSB ADC。

SC92F8463BM芯片及其電路連接如圖2所示。

圖2 SC92F8463BM芯片及電路連接

在CKS-TX-S5T1板卡中的工作電壓為5V，封裝sop28；

引腳1：接+5V電源；

引腳3：接地；

引腳2：觸控外接電容；

引腳6-9：對應(yīng)接電源板的加熱管，風(fēng)扇馬達(dá)，蜂鳴器和門禁；

引腳7和8：接復(fù)用燒錄和仿真的時鐘線和數(shù)據(jù)線；

引腳11：接蜂鳴器；

引腳12-14：接AD輸入對應(yīng)溫度采集，掉電記憶，旋轉(zhuǎn)編碼器按鍵；

引腳15-16：接主控芯片對應(yīng)驅(qū)動芯片的時鐘和數(shù)據(jù)連接線；

引腳17-21，24-28：對應(yīng)接10個觸控按鍵SW1-SW10（A板中SW3，SW6沒用）；

引腳22和23：接旋轉(zhuǎn)編碼器接口；

2.2 驅(qū)動芯片電路

根據(jù)家用電烤箱功能需求選用AIP1640驅(qū)動芯片來驅(qū)動數(shù)碼管電路和LED燈；AIP1640是一種LED驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口，數(shù)據(jù)鎖存器，LED高壓驅(qū)動等電路。它性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠主要用于電子秤、及小家電產(chǎn)品的顯示驅(qū)動屏，它有28個引腳，采用功率CMOS工藝，其中有輝度調(diào)節(jié)電路（占空比8級可調(diào)）、兩線串行接口（CLK，DIN）、振蕩方式為內(nèi)置RC振蕩（450KHz±5%）、內(nèi)置上電復(fù)位電路及自動消隱電路、顯示模式（8段*16位），支持共陰數(shù)碼管輸出。AIP1640驅(qū)動芯片及其電路連接如圖3所示。

圖3 驅(qū)動芯片及電路連接

引腳1-5，18-28：接16個位輸出GPID，接LED的負(fù)極；

引腳6：接地線；

引腳7-8：接主控芯片對應(yīng)驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)和時鐘連接線；

引腳9-16：接數(shù)碼管8個段輸出；

引腳17：接+5V電源供電。

2.3 數(shù)碼管電路

根據(jù)設(shè)計需求此家用電烤箱控制系統(tǒng)采用兩個40×16×18 4位8字白色共陰數(shù)碼管，一個作為時間顯示，一個作為溫度顯示。其中，CEG1-8對應(yīng)數(shù)碼管8段，GPID1-4為數(shù)碼管SMG1（顯示時間）的4位，GPID5-8為數(shù)碼管SMG2（顯示溫度）的4位。

2.4 LED電路

此家用電烤箱控制系統(tǒng)中cancel指示燈為紅色，Start指示燈為綠色，其它指示燈均為白色。家用電烤箱控制系統(tǒng)的LED分為五組，分別接驅(qū)動芯片的GRID9/10/11/12/13/14/15和數(shù)碼管的CEG1～CEG8。其中GRID9控制端接的LED1，GRID10控制端接的LED2，GRID11控制端接的LED3，GRID12控制端接的LED4，GRID13控制端接的LED5/7/13/20/23/19/12/10，GRID14控制端接的LED6/8/14/21/22/18/11/9，GRID15控制端接的LED15/16/17。驅(qū)動芯片的GPID拉低，對應(yīng)燈珠根據(jù)軟件代碼實現(xiàn)開關(guān)控制。

2.5 按鍵電路

單片機(jī)自帶最多23通道可低功耗雙模觸摸電路。家用電烤箱控制板系統(tǒng)需要使用8個觸摸按鍵，配置引腳P0.0，P0.2，P0.3，P0.4，P0.7，P2.0，P2.2，P2.3為觸摸按鍵腳。8個觸摸按鍵分別為：SW1為Cancel（取消），SW2為Start（開始），SW4為Time（時間），SW5為Temp（溫度），SW7/8/9/10為面包烘焙、烤肉、烘干水果、加熱飯菜四種功能按鍵。

2.6 NTC電路

通過熱敏電阻NTC對溫度的敏感特性感應(yīng)家用電烤箱內(nèi)的溫度，熱敏電阻接分壓電路，輸出端接TAMP AD，并對輸出端的電壓進(jìn)行采集，可以計算出熱敏電阻的阻值，從而計算出烤箱內(nèi)的實際溫度，最后實現(xiàn)烤箱溫度的采集及控制。

2.7 接口電路

接口電路是家用電烤箱系統(tǒng)控制板與電源板的連接端口，通過接口實現(xiàn)主控芯片賽元SC92F8463BM芯片對溫度控制、蜂鳴器、風(fēng)機(jī)電機(jī)等的控制。

2.8 AC-DC電路

電源為AC 120-127V，顯示板供電需求為DC 5V，通過電源芯片PN8016將交流轉(zhuǎn)換至直流5V。根據(jù)PN8016芯片的官方推薦電路設(shè)計，在設(shè)計的過程中，也考慮到認(rèn)證以及安全需要，增加X2電容、保險絲、壓敏電阻用于防護(hù)。板卡整體工作電流在200mA以下，該電源設(shè)計為400mA，滿足此家用電烤箱控制系統(tǒng)整體的工作需求。

2.9 蜂鳴器電路

此控制系統(tǒng)通過一個S8050三極管控制蜂鳴器，在家用電烤箱開關(guān)門、溫度單位切換、按鍵操作、旋鈕操作、報警等情況時，BUZ2信號輸出頻率為2KHz的方波，此時蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出蜂鳴聲。

2.10 繼電器電路

繼電器控制電路通過Q2，Q4兩個三極管控制RLY1和RLY2兩個繼電器，都是通過高電平工作、低電平停止的控制方式，RLY1控制加熱，使用的是三友SRG繼電器，認(rèn)證負(fù)載電流為17A，實際加熱負(fù)載為14.1A，RLY2控制風(fēng)機(jī)，使用的是三友SRD繼電器，認(rèn)證負(fù)載電流為10A，實際風(fēng)機(jī)負(fù)載為1A。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

家用電烤箱系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，上電后家用電烤箱進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對蜂鳴器、LED驅(qū)動芯片、觸摸按鍵、IO口、A/D、全局變量初始化；然后進(jìn)入系統(tǒng)自檢，讀取A/D數(shù)值，判斷是否掉電，對系統(tǒng)自檢數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，然后處于待機(jī)狀態(tài)；如果按下四種功能鍵（面包烘焙、烤肉、烘干水果、加熱飯菜）中的一種，系統(tǒng)讀取觸摸按鍵值，開始工作，先讀取NTC電路采集的烤箱內(nèi)溫度，然后通過加熱管和風(fēng)機(jī)控制電烤箱內(nèi)的溫度，工作時顯示時間、溫度，同時蜂鳴器工作。

圖4 電烤箱控制系統(tǒng)主程序流程圖

結(jié)論：從產(chǎn)品生產(chǎn)的需要以及成本、性能等問題綜合考慮，本文選擇賽元SC92F8463BM芯片為主控芯片，從硬件及軟件方面設(shè)計了一款家用電烤箱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)人們居家烘焙食物的需求，給人們的生活帶來了便利，提高了生活質(zhì)量及幸福感指數(shù)。