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SPMC65P2404A在电磁炉中的应用
文章来源:  发布时间:2006-5-23 14:21:04

摘  要: 本文主要介绍如何使用SPMC65P2404A单片机设计开发电磁炉产品。
关键词:电磁炉
1 引言
  电磁炉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。特点:效率高、体积小、重量轻、噪音小、省电节能、不污染环境、安全卫生,烹饪时加热均匀、能较好地保持食物的色、香、味和营养素,是实现厨房现代化不可缺少的新型电子炊具。电磁炉的功率一般在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SPMC65P2404A芯片来实现电磁炉的设计。SPMC65P2404A是凌阳科技推出的一款工业级通用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SPMC65P2404A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 芯片特性简介
  SPMC65P2404A是凌阳科技推出的工业级通用8位单片机,最高工作频率为8MHz,工作电压3V~5.5V,有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM,有23个可编程IO口,内置上/下拉电阻,8通道10位A/D转换器(100KHz),SPMC65P2404A其他特性包括:
◆凌阳科技8位单片机
☉182条指令
☉11种寻址模式
☉支持位操作(Set,Clear,Inverse,Test)
◆2个8位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
☉普通的定时/计数器
☉具有8位捕获功能
☉具有8位比较功能
◆2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
☉普通的定时/计数器
☉具有8或16位捕获功能
☉具有16位比较功能
☉12位PWM输出
◆中断方式
☉支持IRQ和NMI中断
☉4种外部中断
☉11种内部中断
◆5种复位功能:上电复位、低电压复位、看门狗复位、外部复位及错误地址复位
◆支持3种时钟电路:晶体振荡器、RC振荡、外部信号
◆2种低功耗模式:Halt模式和Stop模式 
◆低电压监测(LVD)功能
◆一个蜂鸣器驱动输出口
◆具有SPI总线
利用SPMC65P2404A的这些资源,能够份方便的实现电磁炉的功能。
3 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3-1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。

  其工作过程如下:交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。
4 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;
在实现以上电磁炉的性能规格的基础上,我们设计的电磁炉还具有以下的功能规格:
手动控制火力,从300W~1600W 的范围,共分为14 档火力,每档均有稳定的功率;
手动定温选择,从70 ~240℃的范围,共分为6 档定温选择,每档都能达到精确定温;
自动烹调功能,内部自带1 自动烹调功能:烧水。
6 种自选功能:火锅,炒菜,蒸煮,炖焖,煎炸,烧烤,其中火锅,炒菜可以调节不同的火力档位;蒸煮,炖焖,煎炸,烧烤4 种功能可以选择不同的温度。
可以实现1~720 分钟预约开机功能,1~180 分钟的定时关机功能。
系统提供2 小时自动关机的保护功能。 
5 系统硬件设计
  系统采用SPMC65P2404A 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。


5.1 功率板电路分析
功率板电路如图所示


图 5-3  功率板电路图

5.1.1   开关电源电路部分
  开关电源电路如图5-3所示。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。

图5-3  开关电源电路
5.1.2 电压值测量电路
  
电压值测量电路如图5-4所示。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

5.1.3 温度值测量
  
温度测量电路如图5-5所示。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。

图5-5  温度测量电路
5.1.4 IGBT控制电路
  IGBT 控制电路如图5-6所示。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。

图5-6  IGBT 控制电路
5.2  主控板电路分析
  主控板电路如图5-7所示。主控板主要由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。

图5-7 主控板电路图
6 系统软件设计
6.1 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。主程序流程如图6-1所示。
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 6-1 主程序流程图
6.2 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。
6.3 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。 
6.4 系统资源分配

Function

MCU Hardware Resource

System Demand

Resource Divided

Description

IGBT控制

PWM

1

PB3

接电容到地,产生不同的电压,与参考电压通过LM339比较,产生PWM波形,控制IGBT

风扇电机控制

GPIO

1

PA6

接三级管C3205直接控制风扇电机

蜂鸣器

BZO

1

PB6

PB6输出PWM驱动蜂鸣器

电流过流报警

IRQ

1

PB4

发生此现象,就会产生中断

LED

GPIO

9

PD0~2,PB0~1

PC0~3

PD0~2, PC0~3与按键,数码管复用,PB0~1为控制口

数码管

GPIO

14

PD0~2,PC0-3

PA7,PB257

PD0~2,PC0-3与按键,LED复用,PB257为控制口

按键

GPIO

7

PD0~2,PC0~3

LED,数码管复用

复位电路

RESET

1

/RESET

外部复位功能

温度控制

AD

2

PA1,PA3

AD测量电压值,计算温度

电源电压检测

AD

1

PA2

AD测量电压值

电流过流检测

AD

1

PA0

通过检测电压来判断电流是否过流

看门狗

Watch Dog

内部Register

溢出时间=Rti*8,定时清除

LVR Reset

Inner Reset

VDD低于2.4V,MCU产生复位

RAM

192 bytes

ROM

4K bytes


7 结语
  电磁炉的优势首先表现在它的热效率极高。作为倡导“绿色厨房文化”的高科技产品,电磁炉的应用原理是电流通过线圈产生磁场,磁场内的磁力线通过含铁物质(铁锅、不锈钢锅、搪瓷锅等)的底部时,促使铁分子高速运动,产生无数小涡流,因此热效率高。
卫生、清洁,环保是电磁炉的另一个优越性,铁物质利用磁场感应加热,不释放任何物质,无火、无烟、无味,也不升高室温,真正实现了清洁房间,保护环境。
基于以上优点,电磁炉在家庭生活中得到越来越广泛的应用,现在许多家庭都在使用电磁炉作为他们的必备炊具之一,而且市场的容量还在不断壮大。
SPMC65P2404A芯片非常适合设计电磁炉产品。它具有的丰富资源能够设计出一款功能丰富、使用简易方便的电磁炉产品。而SPMC65P2404A具备很强的抗干扰能力,使得设计出的产品具有很高的稳定性和安全性。
8  参考文献
[1] 肖健华, 经顺林. 模糊控制在家电产品中的应用与展望. 五邑大学学报(自然科学版),2001
[2] 张 超, 孙志锋, 金高先. 电磁炉主谐振电路研究与功率控制. 电源技术应用,  2004.

                            
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