采用SPMC65P2404單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁爐的設(shè)計(jì)

1 引言

電磁灶是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行加熱工作的，是現(xiàn)代家庭烹飪食物的先進(jìn)電子炊具。它使用起來(lái)非常方便，可用來(lái)進(jìn)行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調(diào)操作。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、噪音小、省電節(jié)能、不污染環(huán)境、安全衛(wèi)生，烹飪時(shí)加熱均勻、能較好地保持食物的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)素，是實(shí)現(xiàn)廚房現(xiàn)代化不可缺少的新型電子炊具。電磁灶的功率一般在700--1800W左右。

電磁爐按感應(yīng)線圈中的電流頻率分為低頻和高頻兩大類(lèi)，相比較高頻電磁灶受熱效率高，比較省電。

按樣式分類(lèi)，可以分以下三種。

臺(tái)式電磁爐：分為單頭和雙頭兩種，具有擺放方便、可移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閮r(jià)格低較受歡迎。

埋入式電磁爐：是將整個(gè)電磁爐放入櫥柜面內(nèi)，然后在臺(tái)面上挖個(gè)洞，使灶面與櫥柜臺(tái)面成一個(gè)平面。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為這種安裝方法只求美觀，但不科學(xué)，很大一部分消費(fèi)群體把電磁爐當(dāng)做火鍋，埋入式炒菜并不方便。

嵌入式電磁爐：可適應(yīng)不同鍋具的需要，不再對(duì)鍋具有特殊要求。

本文主要介紹利用SPMC65P2404芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁爐的設(shè)計(jì)。SPMC65P2404是凌陽(yáng)推出的一款工業(yè)控制8位單片機(jī)，具有很高的性?xún)r(jià)比，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于工業(yè)控制類(lèi)、家電類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。使用SPMC65P2404設(shè)計(jì)的電磁爐具有如下性能：

六種加熱模式：火鍋、煎炸、炒菜、燒烤、蒸煮、燒燜；

一種自動(dòng)工作模式：燒水；

最大720分鐘的定時(shí)開(kāi)機(jī)功能；

2小時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)功能；

小物件檢測(cè)功能，對(duì)不合適的物件不進(jìn)行加熱；

系統(tǒng)采用過(guò)流、過(guò)壓、超溫等多種保護(hù)措施；

采用開(kāi)關(guān)電源，使系統(tǒng)能夠在180~250V的電壓范圍內(nèi)正常工作；

系統(tǒng)設(shè)置了故障報(bào)警功能，方便故障查找及檢修；

系統(tǒng)含有自檢程序，方便生產(chǎn)測(cè)試。

2芯片特性簡(jiǎn)介

SPMC65P2404是凌陽(yáng)推出的8位工業(yè)控制單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓2.5V~5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個(gè)可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌陽(yáng)科技8位單片機(jī)

☉182條指令

☉11種尋址模式

☉支持位操作（Set，Clear，Inverse，Test）

◆2個(gè)8位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）

☉普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器

☉具有8位捕獲功能

☉具有8位比較功能

◆2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）

☉普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器

☉具有8或16位捕獲功能

☉具有16位比較功能

☉12位PWM輸出

◆中斷方式

☉支持IRQ和NMI中斷

☉4種外部中斷

☉11種內(nèi)部中斷

◆5種復(fù)位功能：上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、外部復(fù)位及錯(cuò)誤地址復(fù)位

◆支持3種時(shí)鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號(hào)

◆2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式

◆低電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能

◆一個(gè)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)輸出口

◆具有SPI總線

利用SPMC65P2404的這些資源，能夠份方便的實(shí)現(xiàn)電磁爐的功能。

3電磁爐加熱原理

電磁爐是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理對(duì)食品進(jìn)行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過(guò)陶瓷板下方的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線穿過(guò)鐵鍋、不銹鋼鍋等底部時(shí)，產(chǎn)生渦流，令鍋底迅速發(fā)熱，達(dá)到加熱食品的目的。

電磁爐加熱原理如圖3-1所示，灶臺(tái)臺(tái)面是一塊高強(qiáng)度、耐沖擊的陶瓷平板（結(jié)晶玻璃），臺(tái)面下邊裝有高頻感應(yīng)加熱線圈（即勵(lì)磁線圈）、高頻電力轉(zhuǎn)換裝置及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，臺(tái)面的上面放有平底烹飪鍋。

其工作過(guò)程如下：電流電壓經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉(zhuǎn)換裝置使直流電變?yōu)槌^(guò)音頻的高頻交流電，將高頻交流電加在扁平空心螺旋狀的感應(yīng)加熱線圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。其磁力線穿透灶臺(tái)的陶瓷臺(tái)板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強(qiáng)大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是烹調(diào)的熱源。

4電磁爐設(shè)計(jì)要求

電磁爐作為一種普遍的家用產(chǎn)品，除了要具有基本的加熱功能外，它的安全性能及穩(wěn)定性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

電磁爐設(shè)有多種保護(hù)裝置，包括小物件檢測(cè)、過(guò)熱自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、過(guò)壓或欠壓自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、空燒自動(dòng)停止加熱保護(hù)、2小時(shí)斷電保護(hù)、1～2分鐘自動(dòng)停機(jī)保護(hù)以及聲光報(bào)警顯示等。

綜合起來(lái)，電磁爐可由下述技術(shù)特性參數(shù)考核：

（1）自身保護(hù)特性。輸出開(kāi)關(guān)管是電磁爐的關(guān)鍵元件，工作于高電壓、大功率狀態(tài)，受成本和器件參數(shù)限制，設(shè)計(jì)時(shí)不可能有很大的富裕量，故在工作過(guò)程中，若電源電壓過(guò)高、工作狀態(tài)切換時(shí)產(chǎn)生瞬間沖擊、電流增大、機(jī)內(nèi)溫升過(guò)高、鐵鍋挪離灶板或空載，開(kāi)關(guān)管都可能損壞。因此，應(yīng)保證過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、鍋檢測(cè)等保護(hù)裝置正常；

（2）鍋底溫度控制特征。鍋底發(fā)熱直接傳至灶板（陶瓷玻璃），灶板是導(dǎo)熱材料，故一般都將熱敏元件安裝在灶板底部，探測(cè)鍋底的溫度；

（3）功率穩(wěn)定性。電磁爐應(yīng)具有輸出功率自動(dòng)調(diào)整功能，以改善電源適應(yīng)性和負(fù)載適應(yīng)性；

（4）電磁兼容性。該性能涉及對(duì)其余家電的干擾和對(duì)人體的危害。電磁爐均在電源回路中設(shè)有LC濾波電路并用金屬?lài)蛭章┐磐?，同時(shí)采用脈沖方式，使平均輻射功率控制在最小限度；

在實(shí)現(xiàn)以上電磁爐的性能規(guī)格的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的電磁爐還具有以下的功能規(guī)格：

手動(dòng)控制火力，從300W~1600W 的范圍，共分為14 檔火力，每檔均有穩(wěn)定的功率；

手動(dòng)定溫選擇，從70 ~240℃的范圍，共分為6 檔定溫選擇，每檔都能達(dá)到精確定溫；

自動(dòng)烹調(diào)功能，內(nèi)部自帶1 自動(dòng)烹調(diào)功能：燒水。

6 種自選功能：火鍋，炒菜，蒸煮，燉燜，煎炸，燒烤，其中火鍋，炒菜可以調(diào)節(jié)不同的火力檔位；蒸煮，燉燜，煎炸，燒烤4 種功能可以選擇不同的溫度。

可以實(shí)現(xiàn)1~720 分鐘預(yù)約開(kāi)機(jī)功能，1~180 分鐘的定時(shí)關(guān)機(jī)功能。

系統(tǒng)提供2 小時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)的保護(hù)功能。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SPMC65P2404 作為主控MCU，主要模式有：鍵盤(pán)掃描，鍋體溫度檢測(cè)，IGBT

溫度檢測(cè)，電流過(guò)流檢測(cè)，超壓欠壓檢測(cè)，振蕩信號(hào)檢測(cè)，風(fēng)扇控制，數(shù)碼管顯示控制，LED 控制，蜂鳴器控制，系統(tǒng)啟動(dòng)控制。

5.1 功率板電路分析

5.1.1 加熱線圈工作電路

交流電220V 經(jīng)過(guò)前端濾波處理，通過(guò)整流橋，變成大約310v 左右的直流電，通過(guò)MCU控制IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)閉，來(lái)控制加熱線圈的工作狀態(tài)。

5.1.2開(kāi)關(guān)電源電路部分

開(kāi)關(guān)電源部分采用TI 公司最新推出的集成電路VIPer12A，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出，AC 接入后經(jīng)過(guò)半波整流，接到VIPer12A 的電壓輸入腳，輸出端通過(guò)穩(wěn)壓變壓的方式來(lái)得到18V 和5V 直流電，為IC 和其他外圍元件提供電源。

5.1.3 電壓值測(cè)量電路

AC 接入后，經(jīng)過(guò)半波整流，由R10 和R17 產(chǎn)生分壓，對(duì)電路的電壓進(jìn)行比例式測(cè)量，以判斷電路電壓是否超過(guò)或者不足。

5.1.4 溫度測(cè)量

通過(guò)兩個(gè)熱敏電阻分別來(lái)測(cè)試IGBT 和瓷磚底面的溫度，以此來(lái)保護(hù)IGBT，和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制時(shí)提供參考。

5.1.5 IGBT 控制電路

電路中包含有電流檢測(cè)部分，通過(guò)電流互感器將總回路的電流按比較縮小后，通過(guò)整流，變成直流，連接電阻到地，系統(tǒng)通過(guò)檢查電阻端的電壓來(lái)判斷回路的電流大小。同時(shí)回路電流若超過(guò)一定值后，通過(guò)另一端的保護(hù)信號(hào)反饋到IGBT 的控制端，將控制信號(hào)拉低，使IGBT 停止工作，同時(shí)送到MCU，讓系統(tǒng)停止工作，并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

5.2 控制板電路分析

主控板中主要由MCU，數(shù)碼管，發(fā)光二極管，按鍵，復(fù)位電路組成，數(shù)碼管采用共陽(yáng)型的，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)方法為動(dòng)態(tài)掃描，按鍵與SEG 線復(fù)用，控制COM 口，回讀SEG 數(shù)據(jù)的I/O 來(lái)掃描按鍵。復(fù)位電路為低電壓復(fù)位電路，當(dāng)電壓低于2.6V 時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主流程采用分時(shí)結(jié)構(gòu)，在每個(gè)不同的時(shí)間片進(jìn)行不同的工作，時(shí)間片可以對(duì)動(dòng)態(tài)掃描的LED進(jìn)行定時(shí)刷新和掃描，方便程序控制。

工作時(shí)采用時(shí)間輪循的方式，能有效的利用時(shí)間資源。過(guò)程中主要通過(guò)標(biāo)志的方式將信息傳遞到其他模塊。

6.2 中斷子程序流程圖

電流過(guò)流中斷是整個(gè)系統(tǒng)唯一的中斷，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)馬上停止控制信號(hào)，然后置電流過(guò)流標(biāo)志，讓系統(tǒng)在其他地方檢測(cè)過(guò)流的狀態(tài)是否持續(xù)3 秒，若是，則產(chǎn)生電流過(guò)流的報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)停止工作。

6.3 功率調(diào)節(jié)模塊

系統(tǒng)需要根據(jù)外部電壓和電流的大小，來(lái)計(jì)算是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的功率值，通過(guò)比較后的功率大小關(guān)系來(lái)調(diào)整PWM 值，以輸出比較恒定的功率。

假設(shè)外部電壓為V1，

MCU 檢測(cè)到的電壓值V2，根據(jù)電路計(jì)算得：

V2=5.1*V1/（330+5.1）

得到的A/D 值DATA 為：

DATA=V2*256/5

外部電流和MCU 通過(guò)轉(zhuǎn)換的電壓的測(cè)試值的關(guān)系為：

外部電流值/轉(zhuǎn)換后的電壓=2.4

根據(jù)上述關(guān)系來(lái)?yè)Q算功率值的大小：

P=V*I=0.06*AD（V）*AD（I）

推出：AD（I）=100*P/（6*AD（V））

確定AD（I）后，再通過(guò)調(diào)整PWM 值，以使AD（I）達(dá)到計(jì)算的值。

6.4 系統(tǒng)資源分配

7 結(jié)語(yǔ)

電磁爐的優(yōu)勢(shì)首先表現(xiàn)在它的熱效率極高。作為倡導(dǎo)“綠色廚房文化”的高科技產(chǎn)品，電磁爐的應(yīng)用原理是電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過(guò)含鐵物質(zhì)（鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等）的底部時(shí)，促使鐵分子高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生無(wú)數(shù)小渦流，因此熱效率高。

衛(wèi)生、清潔，環(huán)保是電磁爐的另一個(gè)優(yōu)越性，鐵物質(zhì)利用磁場(chǎng)感應(yīng)加熱，不釋放任何物質(zhì)，無(wú)火、無(wú)煙、無(wú)味，也不升高室溫，真正實(shí)現(xiàn)了清潔房間，保護(hù)環(huán)境。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，電磁爐在家庭生活中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在許多家庭都在使用電磁爐作為他們的必備炊具之一，而且市場(chǎng)的容量還在不斷壯大。

SPMC65P2404芯片非常適合設(shè)計(jì)電磁爐產(chǎn)品。它具有的豐富資源能夠設(shè)計(jì)出一款功能豐富、使用簡(jiǎn)易方便的電磁爐產(chǎn)品。而SPMC65P2404具備很強(qiáng)的抗干擾能力，使得設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有很高的穩(wěn)定性和安全性。