基于Cypress触摸按键的电磁炉设计

2012-11-22 13:42:32 7898

0 电容感应方式的触摸按键有很多优点，由于不需要机械结构，相比传统的机械按键和薄膜按键，触摸式按键有着不可比拟的优势，并由此带来了时尚美观的外观设计。目前已经广泛应用于各种消费类电子产品。越来越多的家电产品也开始采用触摸按键，电磁炉是其中一个典型的应用。 Cypress的触摸技术Capsense是基于PSoC产品上的一种应用。PSoC(可编程片上系统)包含有8位微处理器核和数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统。不仅具有MCU的可编程序能力，还包含了部分可编程逻辑运算功能，同时也提供了可编程模拟阵列，集三种可编程能力与一体。在大多数家电的触摸应用中，一般包括触摸感应处理和系统控制处理。PSoC可提供该类应用中所需要的资源，并简化了系统。 2.电磁炉控制原理及结构电磁炉采用磁场感应电流加热原理。它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，交变磁场在铁质锅具的底部产生感应电流(又称涡流)，涡流使锅具铁分子高速无规则运动分子互相碰撞摩擦而产生热能。图1是典型的电磁炉系统框图。电磁炉的主回路为一个LC谐振电路，谐振频率在20-30KHz左右。谐振回路由市电经过整流滤波后产生的310V直流电压供电。主回路中的IGBT工作在低开关损耗的零电压开关方式(ZVS)，使线盘与谐振电容产生谐振电压，从而实现电磁的转换。为了实现IGBT零电压开关的控制，电路中需要对IGBT上的电压进行检测，或称作同步检测，只有在IGBT上的电压接近零电压时才允许IGBT导通。电磁炉的功率调整是通过对IGBT功率管进行PWM占空比的调整来实现的，PWM占空比增大时，IGBT导通时间增长，为线盘提供的电流增大，相应增大电磁炉的功率。振荡器电路就是用于产生PWM信号以驱动IGBT，PWM占空比由谐振电路和主控制器提供的参考电压等共同决定的。通常，主控制器是通过输出PWM占空比信号，并经过一个RC滤波器来产生参考电压。电流负反馈控制是通过检测市电输入电流实现对IGBT电流的控制。电路对电流采样信号进行处理，进而减少IGBT的导通时间而减少IGBT平均电流。其他电路还包括电网电压检测，IGBT及锅面温度检测，浪涌保护电路等一些外围接口电路。主控制器通过上述采样和控制电路可进行恒功率控制，恒温控制，过欠压保护，过温保护等一系列控制。图1. 电磁炉系统框图由于电磁炉控制面板和主电路通常放置在电磁炉中的不同位置，为了设计和维修的方便性，大多数的设计都采用两个PCB板的方式 – 功率板和用户接口面板。根据主控MCU放置的位置，大多可以分成以下三种结构。 1）主控MCU放置在功率板上，用户接口面板为简单的按键和LED显示。系统中只有一个MCU，成本较低，两个PCB板之间通过较多的线束进行连接。 2）主控MCU放置在功率板上，用户接口面板用另外一个MCU进行控制。两个PCB板之间通过较少的线束连接。通常用于较高端的设计中，面板可以进行较复杂的操作。 3）主控MCU放置在用户接口面板上，功率板由几个运放及一些离散器件构成。PCB之间的线束适中，系统成本较低，面板也可进行较复杂的操作。多数设计采用这种方式。 3.触摸按键电磁炉控制器由于消费者在选择电磁炉时更多注意力是集中在炉具的外观上，触摸按键类的产品因此也越来越多的引入到电磁炉的设计中。在初期的设计中，多数采用分立器件设计触摸按键。虽然成本较低，但分立器件调试非常困难，不适于批量生产，因此多数新的设计采用专用触摸按键控制器。触摸按键专用芯片的引入增加了系统的成本和设计的复杂度，并改变了原有的系统结构。PSoC可集成触摸控制及主控功能为一体，可很好的将原有的非触摸式电磁炉设计升级到触摸式电磁炉。 3.1 CY8C22545介绍 CY8C22x45系列产品是Cypress针对触摸应用及系统控制而专门设计的PSoC器件。图2是CY8C22x45的系统框图，它与普通的PSoC产品有相同的架构，包括有8个数字模块和6个简化型的模拟模块。这些模块可根据客户具体需要配置成为不同的外设，例如PWM发生器，定时器，ADC，比较器等。CY8C22x45为用户提供了最多可到38个通用I/O, 16Kbyte闪存及1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，例如10bit SAR ADC，电压参考源(VDAC)，I2C通信模块，硬件实时时钟(RTC)。该系列器件专门为触摸设计提供了相应的片上资源，并优化了内部扫描电路。在不占用片上其他数字资源的情况下，可以实现双通道的信号同时扫描，从而缩短所有按键总的扫描时间。 CY8C22x45可支持Cypress公司的CSA 和CSD 的Capsense算法，并可支持各种不同的触摸设计，例如按键，线型滑条，圆形滑条，ITO触摸屏等等。通过Cypress提供的图形化设计软件，用户可以方便的将触摸检测和系统控制功能完美的集成在同一个PSoC控制器上来完成。图2. CY8C22x45系统框图 3.2 触摸按键设计 CY8C22545片上包含有优化的触摸控制逻辑，图3是该器件用于一个通道的CSD触摸感应控制的内部硬件框图。与以往的Cypress触摸产品比较，CY8C22545产品有以下一些特点： 1）CY8C22545采用左右两条模拟总线的结构，所有的IO口都可通过模拟开关分别接到左右两边的模拟总线上。所有的IO口都可作为触摸传感器的输入端。另外，CY8C22545内部设计了两套扫描控制逻辑，可支持两个触摸传感器同时进行扫描的操作，这样可以减少总的按键扫描时间。在微波炉等多按键(或滑条)的设计中，这种方式有着独到的优势。 2）该器件内部有两个电流源(IDAC)，每个电流源有256级调节范围，可输出0"640uA电流，基本可替代各种Capsense精度配置时所采用的外部放电电阻，因此只需要一个外接的充放电电容即可完成感应电容的检测。另外，采用内部IDAC替代外部放电电阻这种方法在做Capsense参数调整时非常方便，无需更换外部电阻即可实现参数的优化配置。当然，客户仍然可以选择使用外部电阻作为Capsense的放电电阻。 3）扫描时钟源，计数器和定时器都用专用的资源来支持，不占用任何数字模块资源，因此可以有更多的数字资源用于系统控制。 4）另外，由于电路上的优化，每个按键扫描完成后才产生一次中断，因此大大的减少CPU干预时间，使得CPU有更多时间处理其它任务。图3. CSD触摸感应控制逻辑框图 3.3 系统设计本设计采用目前市面上比较流行的电磁炉结构，即功率板由一片LM339及一些分立器件构成，而用户接口板由MCU及LED等分立器件构成。功率板实现了包括同步检测，电流负反馈控制，振荡电路，浪涌保护等控制，本文就不再详述。用户接口板实现了触摸感应控制，LED数码管和LED灯扫描驱动，用户菜单管理，IGBT及锅具温度检测，过温保护，供电电源过欠压保护，电磁炉恒功率控制，恒温控制，风扇、蜂鸣器等外设控制以及其他一些系统主控功能。图4是用户接口板的硬件框图。图4. 用户接口控制板框图 CY8C22545采用44 pin 的TQFP封装，最多有38个I/O，可支持到37个触摸传感器的输入，因此可满足大多数复杂的用户接口板设计。如果IO数量不能满足需求，用户可以通过SPI接口与外部一片74LS164完成IO口的扩展用于LED等外围器件的驱动。在本设计中，CY8C22545对外部12个触摸感应按键进行检测，SAR10 ADC对各个温度传感器及AC电源的电压和电流进行采样，并使用了三个数字模块分别配置成三个8bit精度的PWM发生器，用于驱动蜂鸣器，控制风扇转速以及产生功率控制用的PWM参考信号。另外，用一个数字模块配置为8bit的定时器，用于固件的时基。如果需要IO扩展，则可用一个数字模块配置为SPI接口以驱动外部串并转换逻辑。恒功率控制和恒温控制是电磁炉主要的两种工作模式。在本系统中分别采用了两个PID闭环控制算法实现恒功率控制和恒温控制。由于这两种系统具有不同的时间参数，需要分别调整设定系统PID参数。无锅检测是电磁炉中一个重要的技术，它包含放置检测和移开检测。放置检测采用脉冲方式。在电磁炉正常工作之前，CY8C22545使主谐振电路打开一个很小的时间，通过计算谐振过零点个数检测谐振电路的振荡次数。当没有锅具时，主谐振电路处于欠阻尼状态，谐振过零点检测端有较多的脉冲产生。有锅具时，主谐振电路处于阻尼状态，此时谐振过零点检测端产生的脉冲较少。CY8C22545能够通过检测脉冲的数量决定是否有锅具存在。移开检测采用了电流检测的方法。当电磁炉正常工作时，工作电流会稳定在一个正常范围内。如果移开锅具，系统的电流会急剧下降到一个较小的范围。CY8C22545可以通过检测电流的急剧下降，判定锅具移开。另外，在CY8C22545输出一个固定占空比PWM的条件下，系统的工作电流会维持在一个特定的范围。CY8C22545也可以通过检测当前电流是否符合当前PWM的占空比来判断锅具是否移开。 4.结语采用PSoC CY8C22545的触摸按键电磁炉设计，利用其模拟、数字和触摸感应专用逻辑使整个系统只用了一个PSoC芯片便实现了触摸按键电磁炉的控制功能。结构非常简洁明了，不需要太多的外围元件。在触摸感应的参数调整上非常灵活方便，为客户的设计和生产节省许多调试时间。 1
2012-11-22 13:42:32　　评论淘帖0 举报相关推荐 • CY8C22545的触摸按键电磁炉设计 12529 • 电磁炉触摸控制原理与检修技术 90 • 电磁炉 893 • 电磁炉使用出问题 2406 • 电磁炉代码 1891 • 电磁炉 1925 • 美的电磁炉 5616 • 电磁炉工作原理_电磁炉触摸控制原理与检修技术分析 34787 • 长城电磁炉 2556 • 电磁炉 5703 5 个讨论

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