基于单片机的电磁炉应用设计

1 引言

　　电磁灶是应用电磁感应原理进行加热工作的，是现代家庭烹饪食物的先进电子炊具。它使用起来非常方便，可用来进行煮、炸、煎、蒸、炒等各种烹调操作。电磁灶的功率一般在700--1800W左右。
　　电磁炉按感应线圈中的电流频率分为低频和高频两大类，相比较高频电磁灶受热效率高，比较省电。
　　按样式分类，可以分以下三种。
　　台式电磁炉：分为单头和双头两种，具有摆放方便、可移动性强等优点。因为价格低较受欢迎。
　　埋入式电磁炉：是将整个电磁炉放入橱柜面内，然后在台面上挖个洞，使灶面与橱柜台面成一个平面。业内专家认
　　为这种安装方法只求美观，但不科学，很大一部分消费群体把电磁炉当做火锅，埋入式炒菜并不方便。
　　嵌入式电磁炉：可适应不同锅具的需要，不再对锅具有特殊要求。
　　本文主要介绍利用SPMC65P2404芯片来实现电磁炉的设计。SPMC65P2404是凌阳推出的一款工业控制8位单片机，具有很高的性价比，抗干扰能力强，非常适合应用于工业控制类、家电类产品的设计。使用SPMC65P2404设计的电磁炉具有如下性能：
　　六种加热模式：火锅、煎炸、炒菜、烧烤、蒸煮、烧焖；
　　一种自动工作模式：烧水；最大720分钟的定时开机功能； 2小时自动关机保护功能；小物件检测功能，对不合适的物件不进行加热；系统采用过流、过压、超温等多种保护措施；采用开关电源，使系统能够在180~250V的电压范围内正常工作；系统设置了故障报警功能，方便故障查找及检修；系统含有自检程序，方便生产测试。

　　2 电磁炉加热原理

　　电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的。电磁炉的炉面是耐热陶瓷板，交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场，磁场内的磁力线穿过铁锅、不锈钢锅等底部时，产生涡流，令锅底迅速发热，达到加热食品的目的。
　　电磁炉加热原理如图2-1所示，灶台台面是一块高强度、耐冲击的陶瓷平板（结晶玻璃），台面下边装有高频感应加热线圈（即励磁线圈）、高频电力转换装置及相应的控制系统，台面的上面放有平底烹饪锅。

　　图 2‑1 电磁炉加热原理

　　其工作过程如下：电流电压经过整流器转换为直流电，又经高频电力转换装置使直流电变为超过音频的高频交流电，将高频交流电加在扁平空心螺旋状的感应加热线圈上，由此产生高频交变磁场。其磁力线穿透灶台的陶瓷台板而作用于金属锅。在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，所产生的焦耳热就是烹调的热源。

　　3 电磁炉设计要求

　　电磁炉作为一种普遍的家用产品，除了要具有基本的加热功能外，它的安全性能及稳定性能是设计的关键。
　　电磁炉设有多种保护装置，包括小物件检测、过热自动停机保护、过压或欠压自动停机保护、空烧自动停止加热保护、2小时断电保护、1～2分钟自动停机保护以及声光报警显示等。综合起来，电磁炉可由下述技术特性参数考核：
　　（1）自身保护特性。输出开关管是电磁炉的关键元件，工作于高电压、大功率状态，受成本和器件参数限制，设计时不可能有很大的富裕量，故在工作过程中，若电源电压过高、工作状态切换时产生瞬间冲击、电流增大、机内温升过高、铁锅挪离灶板或空载，开关管都可能损坏。因此，应保证过压、过流、过温、锅检测等保护装置正常；
　　（2）锅底温度控制特征。锅底发热直接传至灶板（陶瓷玻璃），灶板是导热材料
　　，故一般都将热敏元件安装在灶板底部，探测锅底的温度；
　　（3）功率稳定性。电磁炉应具有输出功率自动调整功能，以改善电源适应性和负载适应性；
　　（4）电磁兼容性。该性能涉及对其余家电的干扰和对人体的危害。电磁炉均在电源回路中设有LC滤波电路并用金属围框吸收漏磁通，同时采用脉冲方式，使平均辐射功率控制在最小限度；

　　4 系统硬件设计

　　系统采用SPMC65P2404 作为主控MCU，主要模式有：键盘扫描，锅体温度检测，IGBT 温度检测，电流过流检测，超压欠压检测，振荡信号检测，风扇控制，数码管显示控制，LED 控制，蜂鸣器控制，系统启动控制。

　　图 4‑1 系统框图

　　4.1 功率板电路分析

　　图 4‑2 功率板电路图

　　4.1.1 加热线圈工作电路

　　交流电220V 经过前端滤波处理，通过整流桥，变成大约310v 左右的直流电，通过MCU控制IGBT 的导通和关闭，来控制加热线圈的工作状态。
　　4.1.2 开关电源电路部分

　　开关电源部分采用ti 公司最新推出的集成电路VIPer12A，来实现不同电压的输出，AC 接入后经过半波整流，接到VIPer12A 的电压输入脚，输出端通过稳压变压的方式来得到18V 和5V 直流电，为IC 和其他外围元件提供电源。
　　4.1.3 电压值测量电路

　　AC 接入后，经过半波整流，由R10 和R17 产生分压，对电路的电压进行比例式测量，以判断电路电压是否超过或者不足。
　　&n bsp; 4.1.4 温度测量

　　通过两个热敏电阻分别来测试IGBT 和瓷砖底面的温度，以此来保护IGBT，和对系统进行温度控制时提供参考。
　　4.1.5 IGBT 控制电路

　　电路中包含有电流检测部分，通过电流互感器将总回路的电流按比较缩小后，通过整流，变成直流，连接电阻到地，系统通过检查电阻端的电压来判断回路的电流大小。同时回路电流若超过一定值后，通过另一端的保护信号反馈到IGBT 的控制端，将控制信号拉低，使IGBT 停止工作，同时送到MCU，让系统停止工作，并产生报警信号。
　　4.2 控制板电路分析

　　图 4‑3 主控板电路图

　　主控板中主要由MCU，数码管，发光二极管，按键，复位电路组成，数码管采用共阳型的，发光二极管驱动方法为动态扫描，按键与SEG 线复用，控制COM 口，回读SEG 数据的I/O 来扫描按键。复位电路为低电压复位电路，当电压低于2.6V 时，系统产生复位。
　　5 系统软件设计

　　5.1 程序流程分析
　　主流程采用分时结构，在每个不同的时间片进行不同的工作，时间片可以对动态扫描的LED进行定时刷新和扫描，方便程序控制。工作时采用时间轮循的方式，能有效的利用时间资源。过程中主要通过标志的方式将信息传递到其他模块。

　　图 5‑1 主程序流程图

　　5.2 中断子程序流程图
　　电流过流中断是整个系统唯一的中断，当产生中断时，系统马上停止控制信号，然后置电流过流标志，让系统在其他地方检测过流的状态是否持续3 秒，若是，则产生电流过流的报警信号，系统停止工作。
　　5.3 功率调节模块
　　系统需要根据外部电压和电流的大小，来计算是否已经达到了设定的功率值，通过比较后的功率大小关系来调整PWM 值，以输出比较恒定的功率。
　　假设外部电压为V1， MCU 检测到的电压值V2，根据电路计算得： V2=5.1*V1/（330+5.1），得到的A/D 值DATA 为： DATA=“V2”*256/5 ，外部电流和MCU 通过转换的电压的测试值的关系为：外部电流值/转换后的电压=2.4 。
　　根据上述关系来换算功率值的大小：P=V*I=0.06*AD（V）*AD（I），推出：AD（I）=100*P/（6*AD（V）），确定AD（I）后，再通过调整PWM 值，以使AD（I）达到计算的值。
　　5.4 系统资源分配