SPMC65x單片機在電磁爐中的應用

1 引言

電磁灶是應用電磁感應原理進(jìn)行加熱工作的，是現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、炒等各種烹調操作。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、噪音小、省電節能、不污染環(huán)境、安全衛生，烹飪時(shí)加熱均勻、能較好地保持食物的色、香、味和營(yíng)養素，是實(shí)現廚房現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。
電磁爐按感應線(xiàn)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)性強等優(yōu)點(diǎn)。因為價(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，然后在臺面上挖個(gè)洞，使灶面與櫥柜臺面成一個(gè)平面。業(yè)內專(zhuān)家認為這種安裝方法只求美觀(guān)，但不科學(xué)，很大一部分消費群體把電磁爐當做火鍋，埋入式炒菜并不方便。

　　嵌入式電磁爐：可適應不同鍋具的需要，不再對鍋具有特殊要求。

本文主要介紹利用SPMC65P2404芯片來(lái)實(shí)現電磁爐的設計。SPMC65P2404是凌陽(yáng)推出的一款工業(yè)控制8位單片機，具有很高的性?xún)r(jià)比，抗干擾能力強，非常適合應用于工業(yè)控制類(lèi)、家電類(lèi)產(chǎn)品的設計。使用SPMC65P2404設計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)機功能；
2小時(shí)自動(dòng)關(guān)機保護功能；
小物件檢測功能，對不合適的物件不進(jìn)行加熱；
系統采用過(guò)流、過(guò)壓、超溫等多種保護措施；
采用開(kāi)關(guān)電源，使系統能夠在180~250V的電壓范圍內正常工作；
系統設置了故障報警功能，方便故障查找及檢修；
系統含有自檢程序，方便生產(chǎn)測試。

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，最高工作頻率為8MHz，工作電壓2.5V~5V，有192字節的RAM和4K字節的OTP ROM，有23個(gè)可編程IO口，內置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌陽(yáng)科技8位單片機
☉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/計數器(可自動(dòng)預置初始計數值)
☉普通的定時(shí)/計數器
☉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/計數器(可自動(dòng)預置初始計數值)
☉普通的定時(shí)/計數器
☉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種內部中斷
◆5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門(mén)狗復位、外部復位及錯誤地址復位
◆支持3種時(shí)鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號 
◆2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式 
◆低電壓監測(LVD)功能 
◆一個(gè)蜂鳴器驅動(dòng)輸出口
◆具有SPI總線(xiàn)
利用SPMC65P2404的這些資源，能夠份方便的實(shí)現電磁爐的功能。

3 電磁爐加熱原理

電磁爐是應用電磁感應原理對食品進(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(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內的磁力線(xiàn)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，達到加熱食品的目的。

電磁爐加熱原理如圖3-1所示，灶臺臺面是一塊高強度、耐沖擊的陶瓷平板（結晶玻璃），臺面下邊裝有高頻感應加熱線(xiàn)圈（即勵磁線(xiàn)圈）、高頻電力轉換裝置及相應的控制系統，臺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)整流器轉換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉換裝置使直流電變?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加熱線(xiàn)圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。其磁力線(xiàn)穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內因電磁感應就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是烹調的熱源。

4 電磁爐設計要求

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，它的安全性能及穩定性能是設計的關(guān)鍵。

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

綜合起來(lái)，電磁爐可由下述技術(shù)特性參數考核：

（1）自身保護特性。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)，受成本和器件參數限制，設計時(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、機內溫升過(guò)高、鐵鍋挪離灶板或空載，開(kāi)關(guān)管都可能損壞。因此，應保證過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、鍋檢測等保護裝置正常； 

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

（3）功率穩定性。電磁爐應具有輸出功率自動(dòng)調整功能，以改善電源適應性和負載適應性；

（4）電磁兼容性。該性能涉及對其余家電的干擾和對人體的危害。電磁爐均在電源回路中設有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)現以上電磁爐的性能規格的基礎上，我們設計的電磁爐還具有以下的功能規格： 

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，每檔都能達到精確定溫；

自動(dòng)烹調功能，內部自帶1 自動(dòng)烹調功能：燒水。

6 種自選功能：火鍋，炒菜，蒸煮，燉燜，煎炸，燒烤，其中火鍋，炒菜可以調節不同的火力檔位；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1~720 分鐘預約開(kāi)機功能，1~180 分鐘的定時(shí)關(guān)機功能。

系統提供2 小時(shí)自動(dòng)關(guān)機的保護功能。 

5 系統硬件設計

系統采用SPMC65P2404 作為主控MCU，主要模式有：鍵盤(pán)掃描，鍋體溫度檢測，IGBT
溫度檢測，電流過(guò)流檢測，超壓欠壓檢測，振蕩信號檢測，風(fēng)扇控制，數碼管顯示控制，LED 控制，蜂鳴器控制，系統啟動(dòng)控制。

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 的導通和關(guān)閉，來(lái)控制加熱線(xiàn)圈的工作狀態(tài)。

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，對電路的電壓進(jìn)行比例式測量，以判斷電路電壓是否超過(guò)或者不足。

電路中包含有電流檢測部分，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)另一端的保護信號反饋到IGBT 的控制端，將控制信號拉低，使IGBT 停止工作，同時(shí)送到MCU，讓系統停止工作，并產(chǎn)生報警信號。

主控板中主要由MCU，數碼管，發(fā)光二極管，按鍵，復位電路組成，數碼管采用共陽(yáng)型的，發(fā)光二極管驅動(dòng)方法為動(dòng)態(tài)掃描，按鍵與SEG 線(xiàn)復用，控制COM 口，回讀SEG 數據的I/O 來(lái)掃描按鍵。復位電路為低電壓復位電路，當電壓低于2.6V 時(shí)，系統產(chǎn)生復位。

6 系統軟件設計
主流程采用分時(shí)結構，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)系統唯一的中斷，當產(chǎn)生中斷時(shí)，系統馬上停止控制信號，然后置電流過(guò)流標志，讓系統在其他地方檢測過(guò)流的狀態(tài)是否持續3 秒，若是，則產(chǎn)生電流過(guò)流的報警信號，系統停止工作。

6.3 功率調節模塊

系統需要根據外部電壓和電流的大小，來(lái)計算是否已經(jīng)達到了設定的功率值，通過(guò)比較后的功率大小關(guān)系來(lái)調整PWM 值，以輸出比較恒定的功率。

假設外部電壓為V1，
MCU 檢測到的電壓值V2，根據電路計算得：
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)轉換的電壓的測試值的關(guān)系為： 
外部電流值/轉換后的電壓=2.4
根據上述關(guān)系來(lái)?yè)Q算功率值的大?。?
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)調整PWM 值，以使AD（I）達到計算的值。

6.4 系統資源分配

7 結語(yǔ)
電磁爐的優(yōu)勢首先表現在它的熱效率極高。作為倡導"綠色廚房文化"的高科技產(chǎn)品，電磁爐的應用原理是電流通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內的磁力線(xiàn)通過(guò)含鐵物質(zhì)（鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等）的底部時(shí)，促使鐵分子高速運動(dòng)，產(chǎn)生無(wú)數小渦流，因此熱效率高。

衛生、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)現了清潔房間，保護環(huán)境。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，電磁爐在家庭生活中得到越來(lái)越廣泛的應用，現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芯片非常適合設計電磁爐產(chǎn)品。它具有的豐富資源能夠設計出一款功能豐富、使用簡(jiǎn)易方便的電磁爐產(chǎn)品。而SPMC65P2404具備很強的抗干擾能力，使得設計出的產(chǎn)品具有很高的穩定性和安全性。

參考文獻

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[2] 張 超, 孫志鋒, 金高先. 電磁爐主諧振電路研究與功率控制. 電源技術(shù)應用, 2004.