以單片機(jī)控制為核心的電磁爐設(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。它使用起來非常方便，可用來進(jìn)行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調(diào)操作。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，相比較高頻電磁灶受熱效率高，比較省電。

按樣式分類，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芯片來實(shí)現(xiàn)電磁爐的設(shè)計(jì)。SPMC65P2404是凌陽推出的一款工業(yè)控制8位單片機(jī)，具有很高的性價(jià)比，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于工業(yè)控制類、家電類產(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)采用過流、過壓、超溫等多種保護(hù)措施； 采用開關(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 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2-1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。

圖 2.1 電磁爐加熱原理

其工作過程如下：電流電壓經(jīng)過整流器轉(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^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。

3 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)、過熱自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、過壓或欠壓自動(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，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，故在工作過程中，若電源電壓過高、工作狀態(tài)切換時(shí)產(chǎn)生瞬間沖擊、電流增大、機(jī)內(nèi)溫升過高、鐵鍋挪離灶板或空載，開關(guān)管都可能損壞。因此，應(yīng)保證過壓、過流、過溫、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濾波電路并用金屬圍框吸收漏磁通，同時(shí)采用脈沖方式，使平均輻射功率控制在最小限度；

4 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：鍵盤掃描，鍋體溫度檢測(cè)，IGBT 溫度檢測(cè)，電流過流檢測(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。

圖 4.1 系統(tǒng)框圖

4.1 功率板電路分析

圖 4.2 功率板電路圖

4.1.1 加熱線圈工作電路

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

4.1.2 開關(guān)電源電路部分

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

4.1.3 電壓值測(cè)量電路

AC 接入后，經(jīng)過半波整流，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或者不足。

4.1.4 溫度測(cè)量

通過兩個(gè)熱敏電阻分別來測(cè)試IGBT 和瓷磚底面的溫度，以此來保護(hù)IGBT，和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制時(shí)提供參考。

4.1.5 IGBT 控制電路

電路中包含有電流檢測(cè)部分，通過電流互感器將總回路的電流按比較縮小后，通過整流，變成直流，連接電阻到地，系統(tǒng)通過檢查電阻端的電壓來判斷回路的電流大小。同時(shí)回路電流若超過一定值后，通過另一端的保護(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)。

4.2 控制板電路分析

圖 4.3 主控板電路圖

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。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 程序流程分析

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。過程中主要通過標(biāo)志的方式將信息傳遞到其他模塊。

圖 5.1 主程序流程圖

5.2 中斷子程序流程圖

電流過流中斷是整個(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)，然后置電流過流標(biāo)志，讓系統(tǒng)在其他地方檢測(cè)過流的狀態(tài)是否持續(xù)3 秒，若是，則產(chǎn)生電流過流的報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)停止工作。

5.3 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，來計(jì)算是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的功率值，通過比較后的功率大小關(guān)系來調(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)系來換算功率值的大?。篜=V*I=0.06*AD（V）*AD（I），推出：AD（I）=100*P/（6*AD（V）） ，確定AD（I）后，再通過調(diào)整PWM 值，以使AD（I）達(dá)到計(jì)算的值。

5.4 系統(tǒng)資源分配