SPMC65P2404A在電磁爐中的應用

本文主要介紹如何使用SPMC65P2404A單片機設計開發電磁爐產品。
關鍵詞：電磁爐
1?引言
　　電磁爐是應用電磁感應原理進行加熱工作的,是現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、炒等各種烹調操作。特點：效率高、體積小、重量輕、噪音小、省電節能、不污染環境、安全衛生,烹飪時加熱均勻、能較好地保持食物的色、香、味和營養素,是實現廚房現代化不可缺少的新型電子炊具。電磁爐的功率一般在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,然后在臺面上挖個洞,使灶面與櫥柜臺面成一個平面。業內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SPMC65P2404A芯片來實現電磁爐的設計。SPMC65P2404A是凌陽科技推出的一款工業級通用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控制類、家電類產品的設計。使用SPMC65P2404A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;
系統采用過流、過壓、超溫等多種保護措施;
采用開關電源,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,方便生產測試。?
2?芯片特性簡介
　　SPMC65P2404A是凌陽科技推出的工業級通用8位單片機,最高工作頻率為8MHz,工作電壓3V~5.5V,有192字節的RAM和4K字節的OTP ROM,有23個可編程IO口,內置上/下拉電阻,8通道10位A/D轉換器（100KHz）,SPMC65P2404A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/計數器(可自動預置初始計數值)
☉普通的定時/計數器
☉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/計數器(可自動預置初始計數值)
☉普通的定時/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?
◆低電壓監測(LVD)功能
◆一個蜂鳴器驅動輸出口
◆具有SPI總線
利用SPMC65P2404A的這些資源,能夠份方便的實現電磁爐的功能。
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生磁場,磁場內的磁力線穿過鐵鍋、不銹鋼鍋等底部時,產生渦流,令鍋底迅速發熱,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圈（即勵磁線圈）、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。

　　其工作過程如下：交流電壓經過整流器轉換為直流電,又經高頻電力轉換裝置使直流電變為超過音頻的高頻交流電,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。在烹飪鍋體內因電磁感應就有強大的渦流產生。渦流克服鍋體的內阻流動時完成電能向熱能的轉換,所產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特性參數考核：
（1）自身保護特性。輸出開關管是電磁爐的關鍵元件,工作于高電壓、大功率狀態,受成本和器件參數限制,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、工作狀態切換時產生瞬間沖擊、電流增大、機內溫升過高、鐵鍋挪離灶板或空載,開關管都可能損壞。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;
自動烹調功能,內部自帶1 自動烹調功能：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。
可以實現1~720 分鐘預約開機功能,1~180 分鐘的定時關機功能。
系統提供2 小時自動關機的保護功能。?
5?系統硬件設計
　　系統采用SPMC65P2404A 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,數碼管顯示控制,LED 控制,蜂鳴器控制,系統啟動控制。


5.1　功率板電路分析
功率板電路如圖所示

圖 5-3 ?功率板電路圖

5.1.1?? 開關電源電路部分
　　開關電源電路如圖5-3所示。開關電源部分采用TI 公司最新推出的集成電路VIPer12A,來實現不同電壓的輸出,AC 接入后經過半波整流,接到VIPer12A 的電壓輸入腳,輸出端通過穩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。

圖5-3? 開關電源電路
5.1.2 電壓值測量電路
　　電壓值測量電路如圖5-4所示。AC 接入后,經過半波整流,由R10 和R17 產生分壓,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

5.1.3 溫度值測量
　　溫度測量電路如圖5-5所示。通過兩個熱敏電阻分別來測試IGBT 和瓷磚底面的溫度,以此來保護IGBT,和對系統進行溫度控制時提供參考。

圖5-5? 溫度測量電路
5.1.4 IGBT控制電路
　　IGBT 控制電路如圖5-6所示。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,讓系統停止工作,并產生報警信號。

圖5-6? IGBT 控制電路
5.2? 主控板電路分析
　　主控板電路如圖5-7所示。主控板主要由MCU、數碼管、發光二極管、按鍵、復位電路組成,數碼管采用共陽型的,發光二極管驅動方法為動態掃描,按鍵與SEG 線復用,控制COM 口,回讀SEG 數據的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,系統產生復位。

圖5-7?主控板電路圖
6?系統軟件設計
6.1 程序流程分析
　　主流程采用分時結構,在每個不同的時間片進行不同的工作,時間片可以對動態掃描的LED進行定時刷新和掃描,方便程序控制。主程序流程如圖6-1所示。
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。

圖 6-1?主程序流程圖
6.2 中斷子程序流程圖
　　電流過流中斷是整個系統唯一的中斷,當產生中斷時,系統馬上停止控制信號,然后置電流過流標志,讓系統在其他地方檢測過流的狀態是否持續3 秒,若是,則產生電流過流的報警信號,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,來計算是否已經達到了設定的功率值,通過比較后的功率大小關系來調整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 通過轉換的電壓的測試值的關系為：
外部電流值/轉換后的電壓=2.4
根據上述關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,再通過調整PWM 值,以使AD（I）達到計算的值。?
6.4 系統資源分配

7 結語
　　電磁爐的優勢首先表現在它的熱效率極高。作為倡導“綠色廚房文化”的高科技產品,電磁爐的應用原理是電流通過線圈產生磁場,磁場內的磁力線通過含鐵物質（鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等）的底部時,促使鐵分子高速運動,產生無數小渦流,因此熱效率高。
衛生、清潔,環保是電磁爐的另一個優越性,鐵物質利用磁場感應加熱,不釋放任何物質,無火、無煙、無味,也不升高室溫,真正實現了清潔房間,保護環境。
基于以上優點,電磁爐在家庭生活中得到越來越廣泛的應用,現在許多家庭都在使用電磁爐作為他們的必備炊具之一,而且市場的容量還在不斷壯大。
SPMC65P2404A芯片非常適合設計電磁爐產品。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品。而SPMC65P2404A具備很強的抗干擾能力,使得設計出的產品具有很高的穩定性和安全性。