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行加熱工作的，是現(xiàn)代家庭烹飪食物的先進電子炊具。它使用起來非常方便，可用來進行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調(diào)操作。特點：效率高、體積小、重量輕、噪音小、省電節(jié)能、不污染環(huán)境、安全衛(wèi)生，烹飪時加熱均勻、能較好地保持食物的色、香、味和營養(yǎng)素，是實現(xiàn)廚房現(xiàn)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。

　　臺式電磁爐：分為單頭和雙頭兩種，具有擺放方便、可移動性強等優(yōu)點。因為價格低較受歡迎。

　　埋入式電磁爐：是將整個電磁爐放入櫥柜面內(nèi)，然后在臺面上挖個洞，使灶面與櫥柜臺面成一個平面。業(yè)內(nèi)專家認為這種安裝方法只求美觀，但不科學，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芯片來實現(xiàn)電磁爐的設計。SPMC65P2404是凌陽推出的一款工業(yè)控制8位單片機，具有很高的性價比，抗干擾能力強，非常適合應用于工業(yè)控制類、家電類產(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；
一種自動工作模式：燒水；
最大720分鐘的定時開機功能；
2小時自動關(guān)機保護功能；
小物件檢測功能，對不合適的物件不進行加熱；
系統(tǒng)采用過流、過壓、超溫等多種保護措施；
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)設置了故障報警功能，方便故障查找及檢修；
系統(tǒng)含有自檢程序，方便生產(chǎn)測試。

2 芯片特性簡介

SPMC65P2404是凌陽推出的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(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌陽科技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8位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)
☉普通的定時/計數(shù)器
☉具有8位捕獲功能
☉具有8位比較功能
◆2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)
☉普通的定時/計數(shù)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(nèi)部中斷
◆5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門狗復位、外部復位及錯誤地址復位
◆支持3種時鐘電路：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(jiān)測(LVD)功能 
◆一個蜂鳴器驅(qū)動輸出口
◆具有SPI總線
利用SPMC65P2404的這些資源，能夠份方便的實現(xiàn)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，磁場內(nèi)的磁力線穿過鐵鍋、不銹鋼鍋等底部時，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(jié)晶玻璃），臺面下邊裝有高頻感應加熱線圈（即勵磁線圈）、高頻電力轉(zhuǎn)換裝置及相應的控制系統(tǒng)，臺面的上面放有平底烹飪鍋。

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加熱線圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場。其磁力線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動時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。

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(wěn)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、過熱自動停機保護、過壓或欠壓自動停機保護、空燒自動停止加熱保護、2小時斷電保護、1～2分鐘自動停機保護以及聲光報警顯示等。

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，設計時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)切換時產(chǎn)生瞬間沖擊、電流增大、機內(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，應保證過壓、過流、過溫、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(wěn)定性。電磁爐應具有輸出功率自動調(diào)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濾波電路并用金屬圍框吸收漏磁通，同時采用脈沖方式，使平均輻射功率控制在最小限度；

在實現(xiàn)以上電磁爐的性能規(guī)格的基礎上，我們設計的電磁爐還具有以下的功能規(guī)格： 

手動控制火力，從300W~1600W 的范圍，共分為14 檔火力，每檔均有穩(wěn)定的功率；

手動定溫選擇，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；

自動烹調(diào)功能，內(nèi)部自帶1 自動烹調(diào)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(diào)節(jié)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。

可以實現(xiàn)1~720 分鐘預約開機功能，1~180 分鐘的定時關(guān)機功能。

系統(tǒng)提供2 小時自動關(guān)機的保護功能。 

5 系統(tǒng)硬件設計

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，IGBT
溫度檢測，電流過流檢測，超壓欠壓檢測，振蕩信號檢測，風扇控制，數(shù)碼管顯示控制，LED 控制，蜂鳴器控制，系統(tǒng)啟動控制。

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 的導通和關(guān)閉，來控制加熱線圈的工作狀態(tài)。

開關(guān)電源部分采用TI 公司最新推出的集成電路VIPer12A，來實現(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。

5.1.3 電壓值測量電路

AC 接入后，經(jīng)過半波整流，由R10 和R17 產(chǎn)生分壓，對電路的電壓進行比例式測量，以判斷電路電壓是否超過或者不足。

電路中包含有電流檢測部分，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。同時回路電流若超過一定值后，通過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，同時送到MCU，讓系統(tǒng)停止工作，并產(chǎn)生報警信號。

主控板中主要由MCU，數(shù)碼管，發(fā)光二極管，按鍵，復位電路組成，數(shù)碼管采用共陽型的，發(fā)光二極管驅(qū)動方法為動態(tài)掃描，按鍵與SEG 線復用，控制COM 口，回讀SEG 數(shù)據(jù)的I/O 來掃描按鍵。復位電路為低電壓復位電路，當電壓低于2.6V 時，系統(tǒng)產(chǎn)生復位。

6 系統(tǒng)軟件設計
主流程采用分時結(jié)構(gòu)，在每個不同的時間片進行不同的工作，時間片可以對動態(tài)掃描的LED進行定時刷新和掃描，方便程序控制。

工作時采用時間輪循的方式，能有效的利用時間資源。過程中主要通過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

電流過流中斷是整個系統(tǒng)唯一的中斷，當產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)馬上停止控制信號，然后置電流過流標志，讓系統(tǒng)在其他地方檢測過流的狀態(tài)是否持續(xù)3 秒，若是，則產(chǎn)生電流過流的報警信號，系統(tǒng)停止工作。

6.3 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，來計算是否已經(jīng)達到了設定的功率值，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。

假設外部電壓為V1，
MCU 檢測到的電壓值V2，根據(jù)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 通過轉(zhuǎn)換的電壓的測試值的關(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小：
P=V*I=0.06*AD（V）*AD（I）
推出：AD（I）=100*P/（6*AD（V））
確定AD（I）后，再通過調(diào)整PWM 值，以使AD（I）達到計算的值。

6.4 系統(tǒng)資源分配

7 結(jié)語
電磁爐的優(yōu)勢首先表現(xiàn)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線圈產(chǎn)生磁場，磁場內(nèi)的磁力線通過含鐵物質(zhì)（鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等）的底部時，促使鐵分子高速運動，產(chǎn)生無數(shù)小渦流，因此熱效率高。

衛(wèi)生、清潔，環(huán)保是電磁爐的另一個優(yōu)越性，鐵物質(zhì)利用磁場感應加熱，不釋放任何物質(zhì)，無火、無煙、無味，也不升高室溫，真正實現(xiàn)了清潔房間，保護環(huán)境。

基于以上優(yōu)點，電磁爐在家庭生活中得到越來越廣泛的應用，現(xiàn)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(wěn)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.