一种家用电烤箱控制系统的设计与实现

江苏商贸职业学院 苏红卫

近年来，西式甜点在中国变得十分流行，电烤箱作为家用的主要烘焙工具也越来越受到大家的追捧，经济实用的电烤箱是销售量最快的产品。它主要利用电热元件发出的辐射热烘烤食物，我们可以利用它烘烤面包、制作糕点、烤鸡、烤鸭等，根据烘烤食品的不同需要，电烤箱的温度一般可在50-250℃范围内调节。家用电烤箱的使用给我们的生活带来了很多便利，也提高了我们的幸福感指数。

本文介绍了以赛元SC92F8463BM芯片为主控芯片的家用电烤箱控制系统的设计，通过硬件设计和软件设计可实现通过触摸按键对电烤箱的温度进行控制及显示，四种烘烤功能的转换及显示，掉电保护等。本文采用模块化思想设计外围硬件电路，硬件电路包括按键电路，温度检测模块，LED指示灯，数码显示电路，编码器旋钮调节，蜂鸣器，掉电记忆等。软件设计采用C语言程序实现，可实现通过触摸按键对电烤箱的温度进行控制及显示，四种烘烤功能的转换及显示，掉电保护等。此家用电烤箱控制系统的设计结合实际情况，优化了基本性能，给我们的生活带来很多方便。

1 整体设计方案

本文中家用电烤箱的CKS-TX-S5T10控制板卡系统主要包括按键电路，NTC温度检测，LED指示灯电路，数码管时间温度显示，编码器旋钮调节，蜂鸣器，掉电记忆等部分组成。各个电路模块的关系如图1所示。

图1 系统电路框图

CKS-TX-S5T10这款板卡的具体需求：

操作方式为8种触摸键+旋钮操作；

通过指示灯颜色来区分其功能，加热指示灯皆为白色LED显示，cancel指示灯为红色LED显示，Start指示灯为绿色LED显示；

旋钮时间温度调整旋钮，既能旋转又能按，旋调整数据，待机状态长按数据恢复出厂；

双数码管显示，左数码管显示时间，右数码管显示温度。数码管显示白色；

温度默认单位：华氏温标℉；可华氏度摄氏度切换；

温度控制误差：±20℉；

蜂鸣器输出频率：2KHz 误差：±2%；

NTC短路、开路保护；

460-480F华氏度保护（达此温度直接结束工作）回到待机状态；

供电：AC 120V～127V 60Hz。

根据上述需求，对该家用电烤箱控制系统进行如下设计，包括硬件设计和软件设计。

2 硬件设计与实现

2.1 MCU控制电路

基于家用电烤箱的功能需求及成本考虑，本文中的MCU控制电路采用赛元SC92F8463BM芯片为主控芯片，它有28个引脚，该芯片设计方便，价格低廉，并且完全满足整体设计需求，SC92F8463BM芯片简介如下：

SC92F8463BM内建一个23通道的可低功耗双模电容触控电路，触控电路可选择在STOP Mode下运行。SC92F8463BM还集成有16Kbytes Flash ROM，1Kbytes SRAM，128 bytesEEPROM，最多26个GPIO，13个IO可外部中断，3个16位定时器，11路12位高精度ADC，6路独立10位PWM，内部1%高精度高频12/6/2MHz振荡器和4%精度低频128K振荡器，可外接晶体振荡器，一个UART，一个UART/SPI/IIC三选一通信口SSI。

工作电压：2.4V-5.5V；

工作温度：-40℃-85℃；

16Kbytes Flash ROM；

EEPROM：128 bytes；

最大26个双向可独立控制的I/O口，可独立设定上拉电阻；

全部I/O具有大灌电流驱动能力（70mA）；

23通道可低功耗双模电容触控电路，可配置为高敏度模式或高可靠性模式；

11路12位±2LSB ADC。

SC92F8463BM芯片及其电路连接如图2所示。

图2 SC92F8463BM芯片及电路连接

在CKS-TX-S5T1板卡中的工作电压为5V，封装sop28；

引脚1：接+5V电源；

引脚3：接地；

引脚2：触控外接电容；

引脚6-9：对应接电源板的加热管，风扇马达，蜂鸣器和门禁；

引脚7和8：接复用烧录和仿真的时钟线和数据线；

引脚11：接蜂鸣器；

引脚12-14：接AD输入对应温度采集，掉电记忆，旋转编码器按键；

引脚15-16：接主控芯片对应驱动芯片的时钟和数据连接线；

引脚17-21，24-28：对应接10个触控按键SW1-SW10（A板中SW3，SW6没用）；

引脚22和23：接旋转编码器接口；

2.2 驱动芯片电路

根据家用电烤箱功能需求选用AIP1640驱动芯片来驱动数码管电路和LED灯；AIP1640是一种LED驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口，数据锁存器，LED高压驱动等电路。它性能优良，质量可靠主要用于电子秤、及小家电产品的显示驱动屏，它有28个引脚，采用功率CMOS工艺，其中有辉度调节电路（占空比8级可调）、两线串行接口（CLK，DIN）、振荡方式为内置RC振荡（450KHz±5%）、内置上电复位电路及自动消隐电路、显示模式（8段*16位），支持共阴数码管输出。AIP1640驱动芯片及其电路连接如图3所示。

图3 驱动芯片及电路连接

引脚1-5，18-28：接16个位输出GPID，接LED的负极；

引脚6：接地线；

引脚7-8：接主控芯片对应驱动芯片的数据和时钟连接线；

引脚9-16：接数码管8个段输出；

引脚17：接+5V电源供电。

2.3 数码管电路

根据设计需求此家用电烤箱控制系统采用两个40×16×18 4位8字白色共阴数码管，一个作为时间显示，一个作为温度显示。其中，CEG1-8对应数码管8段，GPID1-4为数码管SMG1（显示时间）的4位，GPID5-8为数码管SMG2（显示温度）的4位。

2.4 LED电路

此家用电烤箱控制系统中cancel指示灯为红色，Start指示灯为绿色，其它指示灯均为白色。家用电烤箱控制系统的LED分为五组，分别接驱动芯片的GRID9/10/11/12/13/14/15和数码管的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。驱动芯片的GPID拉低，对应灯珠根据软件代码实现开关控制。

2.5 按键电路

单片机自带最多23通道可低功耗双模触摸电路。家用电烤箱控制板系统需要使用8个触摸按键，配置引脚P0.0，P0.2，P0.3，P0.4，P0.7，P2.0，P2.2，P2.3为触摸按键脚。8个触摸按键分别为：SW1为Cancel（取消），SW2为Start（开始），SW4为Time（时间），SW5为Temp（温度），SW7/8/9/10为面包烘焙、烤肉、烘干水果、加热饭菜四种功能按键。

2.6 NTC电路

通过热敏电阻NTC对温度的敏感特性感应家用电烤箱内的温度，热敏电阻接分压电路，输出端接TAMP AD，并对输出端的电压进行采集，可以计算出热敏电阻的阻值，从而计算出烤箱内的实际温度，最后实现烤箱温度的采集及控制。

2.7 接口电路

接口电路是家用电烤箱系统控制板与电源板的连接端口，通过接口实现主控芯片赛元SC92F8463BM芯片对温度控制、蜂鸣器、风机电机等的控制。

2.8 AC-DC电路

电源为AC 120-127V，显示板供电需求为DC 5V，通过电源芯片PN8016将交流转换至直流5V。根据PN8016芯片的官方推荐电路设计，在设计的过程中，也考虑到认证以及安全需要，增加X2电容、保险丝、压敏电阻用于防护。板卡整体工作电流在200mA以下，该电源设计为400mA，满足此家用电烤箱控制系统整体的工作需求。

2.9 蜂鸣器电路

此控制系统通过一个S8050三极管控制蜂鸣器，在家用电烤箱开关门、温度单位切换、按键操作、旋钮操作、报警等情况时，BUZ2信号输出频率为2KHz的方波，此时蜂鸣器导通，发出蜂鸣声。

2.10 继电器电路

继电器控制电路通过Q2，Q4两个三极管控制RLY1和RLY2两个继电器，都是通过高电平工作、低电平停止的控制方式，RLY1控制加热，使用的是三友SRG继电器，认证负载电流为17A，实际加热负载为14.1A，RLY2控制风机，使用的是三友SRD继电器，认证负载电流为10A，实际风机负载为1A。

3 软件设计与实现

家用电烤箱系统主程序流程图如图4所示，上电后家用电烤箱进行系统初始化，包括对蜂鸣器、LED驱动芯片、触摸按键、IO口、A/D、全局变量初始化；然后进入系统自检，读取A/D数值，判断是否掉电，对系统自检数据进行保存，然后处于待机状态；如果按下四种功能键（面包烘焙、烤肉、烘干水果、加热饭菜）中的一种，系统读取触摸按键值，开始工作，先读取NTC电路采集的烤箱内温度，然后通过加热管和风机控制电烤箱内的温度，工作时显示时间、温度，同时蜂鸣器工作。

图4 电烤箱控制系统主程序流程图

结论：从产品生产的需要以及成本、性能等问题综合考虑，本文选择赛元SC92F8463BM芯片为主控芯片，从硬件及软件方面设计了一款家用电烤箱控制系统，该系统可以实现人们居家烘焙食物的需求，给人们的生活带来了便利，提高了生活质量及幸福感指数。