只能电磁炉控制系统设计.doc

北华大学学士学位论文目录第一章 绪论11.1 课题研究的目的意义11.2 国内外现状11.2.1 国外现状11.2.2 国内现状11.3 课题研究的主要内容2第二章 系统总体方案42.1 方案设计42.2 方案论证42.3 本章小结5第三章 硬件设计63.1 芯片介绍63.1.1 单片机63.1.2 A/D转换芯片的选择73.1.3 光电耦合器的选择103.1.4 电压比较器LM339113.1.5 IGBT芯片介绍133.1.6 热敏电阻163.1.7 译码器163.2 电磁炉内部模块183.2.1 主电源电路183.2.2 副电源193.2.3 控制电路设计203.2.4 显示电路设计213.2.5 电磁炉无锅检测电路设计223.2.6 报警电路设计223.2.7 按键电路设计233.2.8 风扇电路设计243.2.9 IGBT温度控制电路设计243.2.10 锅面温度检测253.2.11 欠压检测电路设计263.2.12 过压检测电路设计263.3 本章小结27第四章 程序设计284.1 程序流程设计284.1.1 主程序流程284.1.2 子程序流程图294.2 C语言程序设计324.2.1 主程序324.2.2 子程序流程图334.3 本章小结35第五章 系统仿真36第六章 总结37致 谢38参考文献39附录一40附录二6362 北华大学学士学位论文第一章 绪论1.1 课题研究的目的意义电磁炉又称为电磁灶，它起源于德国。电磁炉与其他厨房电器和传统灶具相比，电磁炉除在加热时间稍逊于煤气炉之外，其余指标均优于同类加热器。无论在安全、节能、高效、简便等方面都具有很大的优越性，尤其在环保方面的优点更为突出。其自动检查锅具以及过热保护等先进设置，不会象电炉那样产生明火，不会造成视觉污染或者电路短路等问题；不会燃烧时产生废气，以及诸如液化气泄漏造成的中毒甚至爆炸的安全隐患。同时电磁炉方便收藏、易于清洁、体积小巧，且在使用时不至于使室温上升，在省电、省钱以及安全有保障的情况下将食物料理过程轻松完成。电磁炉分为工频电磁炉和高频电磁炉，工频电磁炉工作简单可靠，主要存在的问题是噪声大，已被淘汰，现在所说的电磁炉指的都是高频电磁炉。中国作为一个迅速崛起的发展中大国，面临着经济增长和环境保护的双重压力。1997年，中国是世界第三能源消耗国家，随着中国能源消耗以每年6 %7%的速度增长，中国将很快成为世界第二能源消耗国。由于电磁炉的独特加热方式减少了热量传递的中间环节，因而热效率非常高，是一种高效节能的电器，所以电磁炉在不久的将来会占有很大的市场。1.2 国内外现状我们在看到电磁炉发展的同时，也看到了发展的美中不足，无论从技术的研发上还是从对市场的投入上，诸多企业都展示出了对电磁炉市场的信心，但是，加大技术研发的投资，仍然是重中之重。1.2.1 国外现状在此类项目上欧美国家电磁感应加热电源设备研制开发起步较早，技术较为先进。多为采用陶瓷防辐射电磁炉，由于国内陶瓷工艺方面与国外差距很大，所以国内的电磁炉还有避免不了的辐射。1.2.2 国内现状 国内电磁炉市场单炉的需求量占主流，大约在80%左右，随着国内各大城市住房条件的改善以及人们环保、节能意识的加强，多炉头电磁炉，尤其是双炉电磁炉将占据更大的市场份额；在电磁加热设备研制开发上起步较晚，目前虽厂家较多，但技术水平参差不齐，规模实力较小，研发能力相对不足，国内商用食品电磁加热设备技术方面存在以下主要问题：(1)设备自身功率损耗大，发热严重，稳定性不良；(2)控制方式有待改善；(3)保护设计不完善，可靠性差；(4)非模块化设计，产品安装维护复杂；(5)标准化程度低，不利于大规模生产。1.3 课题研究的主要内容 加热原理：变压器有一个缺点就是铁芯在磁场感应中会产生涡流，而涡流流动需要克服铁芯的内阻，于是铁芯便会发热，从而影响变压器的效率。恰恰相反，电磁炉就是引用这一原理对食品进行加热的。它利用高频的电流通过环形线圈，从而产生无数封闭磁场力，当磁场那磁力线通过锅的底部，既会产生无数小涡流，使锅体本生自行高速发热，然后再加热锅内食物。 图1.1 电磁炉加热原理工作过程： 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。本课题主要研究的是电磁炉自动感温散热控制系统，电磁炉自动感温控制系统主要有以下几部分组成：电磁炉的加热部分、温度检知部分、检测部分、风扇散热及炉面感温探头。正常工作时，电磁炉加热系统工作，启动风扇散热系统，同时，炉面探头将锅底温度热量信号传递到CPU，CPU接收到信息控制电磁炉的工作状态，保证烹饪过程的温度。本课题的主要工作内容如下：(1)控制系统核心最小系统硬件设计(2)电磁炉加热系统设计(3)电磁炉风扇散热系统设计(4)温度检测电路设计(5)电磁炉系统工作显示电路设计(6)系统工作电源及报警电路设计(7)系统软件流程及程序设计同时，还应解决电磁炉数字式高频全桥开关电磁加热电源系统的全数字控制、高频化、模块化设计，构成电磁炉的核心电源模块。第二章 系统总体方案2.1 方案设计方案一：控制部分的核心采用传统的数字逻辑芯片来实现。系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路来实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编辑逻辑电路。这样，系统的成本就会急剧上升。方案结构图如图3.1所示。电源按键控制电磁炉控制板驱动电路主谐振电路锅具显示保护检测电路图2.1 方案一结构图方案二：以AT89C52系统为核心，利用单片机丰富的I/O端口，及其控制的灵活性，使其实现电磁炉数码管显示控制、多种安全保护功能、功率自动控制、温度自动控制、定时控制以及各种自动检测报警功能的控制。此系统的硬件和软件都比较容易实现，且满足本题的精度要求，性价比较高的AT89C52具有以下特点：其8K的EPROM可在固化程序上是方便地多次擦写，独有的低功耗性能保证器件的长时间工作；采用最小应用系统设计，电路可靠、稳定。2.2 方案论证方案一采用模拟电路和数字电路设计的整体电路的规模较大，用独立振荡单元，多个功率管并联、驱动放大电路采用分立元件，例如：定时采用555构成的单稳态触发器控制，但是该单稳态电路对输入的脉冲宽度有一定的要求，即触发脉冲宽度要小于暂稳时间，而实际应用中则大于暂稳时间，于是还要先经微分电路后再加到电路的低电平触发端。仅一个定时控制电路就已经如此复杂，若加上其它的温度、功率、显示等电路，系统电路更为繁杂，由此一来，用到的器件多，造成故障率高，难调试，而且电路复杂，维修和生产测试不太方便；虽然容易实现，但控制和性能方面都很差，硬件设计任务比较麻烦，而且设计的产品实际操作也不方便。方案二是采用以AT89C52为核心的单片机系统，可以实现数码显示、定时控制、温度功率自动控制等功能，大大提高了智能化自动控制的速度。显示采用8位一体数码管，既显示定时又显示温度，其中，数码管的前四位显示定时的时和分，后三位显示温度；定时采用单片机内部定时和外部中断结合控制实现；温度和功率控制选用TLC2543和电位器联合控制实现。由此一来，系统利用单片机强大功能对各个模块进行系统控制，减少分立元器件的使用，使其效率高、体积小、重量轻、噪音小、省电节能、并且系统所测结果的精度和性能都很高，该方案完全具有可行性，同时体现了技术的先进性，经济上也有很大的优势。综上所述，经比较，本设计采用方案二。方案结构图如图2.2所示。 单 片 机按键电路温度控制电路功率控制电路检测电路安全保护控制数码管显示控制电源电路报警电路图2.2 方案二结构图2.3 本章小结通过方案比较，得出各方案的优缺点，以及的方案的可行性，从而确定合理的设计方案，本次设计的方案采用方案二。第三章 硬件设计3.1 芯片介绍3.1.1 单片机智能电磁炉需要一个可编程控制器，来完成相应的加热程序，作为简单的微处理器，单片机满足能完成工作的前提，稳定性良好、价格便宜、使用简单、接口兼容性强的优点，所以本次设计采用单片机控制，而且采用89C52单片机，单片机89C52是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。AT89C52最小系统如图3.1所示。图3.1 单片机的最小系统设计电路图微处理器：该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。数据存储器：片内为256个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。程序存储器：片内为8k，由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器：片内有3个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。串行口：有1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。并行I/O口：共有4个并行8位I/O口(P0、P1、P2、P3)，每个口都有1个锁存器和1个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。特殊功能寄存器：共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。3.1.2 A/D转换芯片的选择在电磁炉加热过程中需要一个转换器把温度转换成数字量传送给单片机，所以在此需要一个A/D，考虑采样频率和分辨率还有价格等问题，选择一款合适的AD芯片就显得尤为重要。由于51单片机往往要控制比较多的I/O口，因此使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展，采用串行ADC比较适合那些低速采样而控制管脚又比较多的系统。TLC2543是有11个输入端的12 bit模数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点。由于它带有串行外设接口(SPI)，而51系列单片机没有SPI，因此研究它与单片机的接口非常有意义。TLC2543的引脚封装图如图3.2所示。图3.2 TLC2543管脚图图3.2中AIN0-AIN10为模拟输入端；/CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。TLC2543是12 bit串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。其特点有：(1)12 bit分辨率A/D转换器；(2)在工作温度范围内10s转换时间；(3)11个模拟输入通道；(4)3路内置自测试方式；(5)采样率为66 kb/s；(6)线性误差+1LSB(max)；(7)有转换结束(EOC)输出；(8)具有单、双极性输出；(9)可编程的MSB 或LSB前导；(10)可编程的输出数据长度。TLC2543的使用方法控制字的格式：控制字为从DATE INPUT端串行输入的8 bit数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式。其中高4 bit(D7D4)决定通道号，对于0通道至10通道，该4bit为00001010H，当为10111101时，用于对TLC2543的自检，分别测试(Vref+Vre-f)/2、Vref+、Vre-f的值，当为1110时，TLC2543进入休眠状态。低4 bit决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8 bit，11表示输出数据长度为16 bit其他为12 bit，D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为1。转换过程：上电后，片选/CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，片选/CS为高，I/OCLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT呈高阻状态，EOC为高。使/CS变低，I/OCLOCK、DATA INPUT使能，DATA OUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10s，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。对TLC2543的操作，关键是理清接口时序图和寄存器的使用方式。图2.3是TLC2543在片选信号使能的前提下，使用12 bit模式的接口时序图。从图中可看出，在片选信号(/CS)有效的情况下，首先要根据A/D转换的功能需要配置要输入的数据。需要注意的是，在读数据的同时，TLC2543将上一次转换的数据从数据输出口伴随输入时钟输出。为了提高A/D采样的速率，可以采用在设置本次采样的同时，将上次AD采样的值读出的办法。图3.3 在前、用/CS控制的12bit模式时序图AT89S52单片机没有SPI接口。为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现SPI接口。单片机通过编程产生串行时钟，即由CLK 先高后低的转变提供串行时钟；并按时序发送与接收数据位，完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出；用累加器和带进位的左循环移位指令来合成SPI功能，R2暂存高8 bit，R3暂存低4 bit本程序选择12 bit输出数据长度，高位导前。TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转移的结果。当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。第一次读数由于内部调整，读取的转换结果可能不准确，应丢弃。TLC2543芯片与在电路中的连线如图3.4所示。图3.4 TLC2543芯片和单片机的连线3.1.3 光电耦合器的选择在将A/D转换器之后的信号送入单片机需要进行光耦隔离，考虑到转换时间的问题，本次采用高速光耦6N135。在单片机输出和输入需要光电隔离，选用TLP521-1。高速光耦6N135是日本东芝公司生产的具有优良特性的光电耦合器件。6N135内封装一个高度红外发光管和光敏三极管。图所示为6N135的管脚和内部结构示意图。6N135具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL逻辑电平兼容等优点，可用于隔离线路、开关电路、数模转换、逻辑电路、长线传输、过流保护、高压抑制、电平匹配、线性放大等方面。6N135最主要的特点是高速度，tPHLtPLH=0.5s（RL=1.9k），所以在高速数字通讯接口的隔离上更能显示和充分发挥其高速度的优良特性，数据的波特率可达500k以上。相比之下，常见的光电耦合器件4N25、TIL117只能做到几千的波特率。最大工作电流：25mA；正向压降：1.65V；输出电流：15mA；最大电压：15V。TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等。 在电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。 东芝TLP521-1，-2和-4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。该TLP5212提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，而TLP5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装，其主要参数如下：集电极-发射极电压：55；经常转移的比例：50； 隔离电压：2500Vrms。3.1.4 电压比较器LM339在电磁炉保护系统中需要一个电压比较器来判断是否需要保护动作，在此需用最常见的电压比较器LM339，LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。LM339可构成 单限比较器、 迟滞比较器 、双限比较器（窗口比较器） 、振荡器等。LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。表3.1 LM339引脚功能表引脚符号功能1OUTPUT2输出端22OUTPUT1输出端13V+电源正4INPUT1-反相输入端15INPUT1+同相输入端16INPUT2-反相输入端27INPUT2+同相输入端28INPUT3-反相输入端39INPUT3+同相输入端310INPUT4-反相输入端411INPUT4+同相输入端412GND电源地13OUTPUT4输出端414OUTPUT3输出端3图3.5 LM339 引脚图3.1.5 IGBT芯片介绍电磁炉是电磁振荡电路的特殊应用，由于电磁炉特殊的工作方式，需要高频切换电路的通榆断，所以本次采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 (1)静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh式中Uj1JI 结的正向电压，其值为0.71V；Udr扩展电阻Rdr上的压降；Roh沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos流过MOSFET的电流。由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。(2)动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期，PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间，tri为电流上升时间。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv十t(f)式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。(3)IGBT 原理方法IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。阻断与闩锁当集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。 只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。 此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1:5。3.1.6 热敏电阻 电磁炉加热过程中和各种器件的过温检查都需要温度检测传感器，在能满足工作条件的情况下，本着经济适用为原则，所以本次需用热敏电阻作文温度检查原件，型号为B3950的100K热敏电阻，由于热敏电阻器件比较常见而且技术十分成熟，使用简单，所以本节不做过多介绍，温度与阻值的关系见附表。3.1.7 译码器考虑在电磁炉系统中存在接口不用的情况下，需用一个译码器来减少接口使用个数，74LS138是最常用的集成译码器之一，其引脚图如图3.6所示。图3.6 74LS138引脚图74LS138译码器有3个输入端A、B和C，8个输出端Y0Y7，因此又称为3-8译码器。如图中E1、E2和E3是3个控制输入端（使能控制端），组合控制译码器的选通和禁止，其中E2和E3为低电平有效。当= =0，E1=1时，译码器处于工作状态，否则，当+=1或E1=0时，译码器被禁止（即译码器不工作），此时，无论输入的A、B、C为何状态，译码器都无输出。在分析具有控制输入端的组合电路时，要分清功能输入信号（如74LS138的A、B、C）和控制输入信号（如74LS138的E1、E2、E3）。只有控制输入处于有效（使能）状态时，功能输入与输出之间才有相应的逻辑关系。74LS138译码器的真值表如表2.2所示。由真值表知，当+=1或E1=0时，译码器处于禁止状态，输出全为1；当= =0，E1=1时，译码器被选通，处于工作状态，译码器输出与输入之间的逻辑关系为： =；=；=；=；=。表3.2 74LS138译码器的真值表控制输入译码输入输出E1+ABC11111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110如选用共阴极数码管，则74LS138 与LED接口方法如图3.7所示。 图3.7 74LS138与LED连接3.2 电磁炉内部模块3.2.1 主电源电路交流电220V经过前端滤波处理，通过全桥整流，变成310V左右的直流电，通过MCU控制IGBT功率管的导通和关闭来控制电磁炉加热线圈的工作状态。主电路如图3.8所示。图3.8 主电源电路3.2.2 副电源开关电源提供有+5V，+18V两种稳压回路，其中桥式整流后的+18V供IGBT的驱动回路，同步比较IC LM339和风扇驱动回路使用，由三端稳压电路稳压后的5V-1供主控MCU使用,5V-2供光电耦合器使用。副电源电路如图3.9所示。图3.9 副电源电路 A/D需要一个基准电源，本次采用AD580作为基准电源，选用AD580做为基准源。AD580是一个三端式带隙基准源，能提供2.5V的基准电压，温度稳定性达，长时间漂移小于，静态电流为。在本设计中，用AD580做为基准源，它的5V电压下输出为2.5V，并通过精密电阻进行调节，获得所需精密基准电压。其电路图如图3.10所示。图3.10 AD580电路图3.2.3 控制电路设计 T89C51单片机通过控制PWM脉冲的宽与窄, 控制送至振荡电路的加热功率控制电压，控制了IGBT导通时间的长短,就可以控制了加热功率的大小。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。采用脉宽调制(PWM)方式可以使负载在工作时得到满电源电压，这样有利于克服IGBT功率管内在的线圈电阻而使IGBT功率管产生更大的力矩。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，过比较后的功率大小关系来调整PWM 值，输出频率越高，输出的电压越高，则得到的占空比方波的比率越大，从而使IGBT的导通时间更长，那么电磁炉的输出功率就越大，反之就越小，以输出比较恒定的功率9。 本设计设定功率有16档，分别为100W,200W,300W,1600W。通过按键K2、K3来循环切换挡位。要根据所设定的功率及当时所测市电电压，来确定要输出的占空比，将I=P/V代入上式，得:占空比=0.156P/V-0.222 (3.1)为了便于计算机处理，将占空比表示为PWM/128，128为一个PWM信号周期计数值，32us为一个周期；功率P表示为Ptab10，Ptab为火力档，由高至低分别为160(A0H)、140(8CH)、120(78H)、110(6EH)、80(50H)；将V的测量解析式代入，得：PWM=128Ptab/VOLADC28 (3.2)市电电压值与ADC转换值的近似解析公式： V=VOL220/2.66=VOLADC79.4/51=1.557VOLADC (3.3)VOLADC为VOL电压ADC值。比较电压VCMP与负荷电流的关系。比较电压VCMP的大小可以直接控制负荷电流，PWM信号正是通过控制VCMP来达到控制负荷电流的目的。根据电路图可得出它们之间的关系为：VCMP=5(1+20占空比)/21，它是线性且单调的，每一个PWM占空比都可以得到唯一的一个VCMP 。因此，只要得到比较电压VCMP与负荷电流的关系，就可以得到PWM占空比与负荷电流的关系。控制电路如图3.11所示。图3.11 IGBT驱动电路3.2.4 显示电路设计本次设计显示分为数码管显示和LED灯显示。数码管显示主要有定时显示和温度显示，采用了8位数码管和一个常用的3-8译码器74LS138实现系统定时时间和温度的数据显示。在8位LED显示时，为了简化电路，降低成本，采用动态显示的方式，8个LED显示器共用一个8位的I/O，8位LED数码管的位选线分别由相应的P2.0P2.2控制， 由74LS138的输出口A、B、C输入经译码器译码输出端Y0Y7输出，然后依次输入到数码管的位选81口。而将其相应的段选线由P1.0P1.7依次输入至数码管的ADP。系统中的数码管集时间显示和温度显示于一体，不但减少元器件的数量，降低设计成本，而且用户可更直观的运用显示功能，使用更方便，实现产品人性化设计。 (1) 显示时间：译码显示电路将“时” 、“分”计数器的输出状态七段显示译码器译码，通过8位LED七段显示器高四位分别显示时间的时十位、时个位、分十位、分个位。校时电路时用来对“时” 、“分” 显示数字进行校对调整的。当电磁炉开机时，不显示，若要定时，则通过按键进行相应的设置：按一下K1，进入定时设置，数码管显示相应的时间，设置退出时显示从设定值开始倒计时。 (2) 显示功率：译码器后4位数码管显示功率，当电磁炉开机时，显示最低功率800W,若要调节功率，则通过按键K4进行相应设置：按一下K3，功率相应的提高一档，K2降低一档，当到最高档时，再按K4，则返回最低档。(3) 显示温度：译码器后4位数码管显示温度，当电磁炉开机时，显示最低温度为80度,最高为240度，若要调节温度，则通过按键K4进行相应设置：按一下K3，温度相应的提高10度，K2减少10度。3.2.5 电磁炉无锅检测电路设计无锅检测电路的任务是检查电磁炉上是否有锅，若放有合适的锅，便进行连续加热工作或者保温工作；若没有锅，便停止加热并发出无锅报警，提示用户现在无锅，以便做相应处理；如果在无锅报警中途有锅放上去了，则继续加热工作。如图2.7所示，本系统检锅模块通过电流检测电路来实现，检测原理：整流滤波，电阻分压，LM339作为电压比较器；当LM339的“+”引脚脚电压高于“-”引脚时，输出一个高电平，可通过测定一个无锅检测电压，若当系统启动50ms以上时，电压小于此临界值，则认为是无锅，若无锅，则从电磁炉工作原理上进行解释，即认为是内部加热线圈没有负载，也就没有功耗，所以主回路只有很小的输入电流，取样电压也很低，即单片机检测到的电压将很低。系统自动报警，关断控制线；若电压高于临界值，则认为有锅，恢复原来的工作状态；无锅检测时，按关机键，仍能关机。无锅检测电路设计如下图3.12所示。图3.12 无锅检测电路图3.2.6 报警电路设计利用程序来控制单处机某个口线的“高”电平或“低”电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”、“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调。系统报警信号由单片机P3.4口接入扬声器，有报警信号输入时扬声器发出“B”的声音。系统产生报警信号的情况：（1）当定时时间达到时；（2）当温度上限或下限达到时；（3）当系统检测到无锅时或空锅时。报警电路由一个扬声器驱动电路和一个扬声器组成。报警电路如下图3.13所示。图3.13 报警电路图3.2.7 按键电路设计按键采用四个独立按键，按键设计如图3.14所示。 图3.14 按键设计图 其中按键功能为：K1：定时、功率和温度设置，起始时间为00：00，设置首先按一下K1，然后按其他键设置时间和功率；K3：用来设置时间、功率和温度加，每按一下，加一个等级；K2：用来设置时间、功率和温度减，每按一下，减一个等级。消除抖动：通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，这种抖动一般是在1020毫秒之间这种不稳定的抖动时间对人类来说太快了，而对单片机来说则是漫长的，为了提高系统的稳定性必须去除或避开它目前的技术有硬件去除抖动和软件去除抖动。硬件去除抖动就是用部分电路对抖动部分加以处理，但实现难度大成本高，我们一般采用软件去除抖动，实现方法是先查询按键当有低电平出现时立即延时10200毫秒以避开抖动，延时结束后再读一次I/O口的值这次的值如果为1表示低电平的时间不到10200毫秒，视为干扰信后，当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。图3.15 按键抖动显现3.2.8 风扇电路设计用100K热敏电阻作为传感器，风扇在IGBT温度达到六十度的时候启动风扇，否则风扇不启动，同样在停止工作后如果温度高于六十度时风扇还继续工作，热敏电阻在六十度的阻值为25K，用电阻分压，用LM339作为电压比较器来判断温度是否达到六十度，风扇模块为独立不经过单片机，可以节约CPU资源为更好服务其他硬件和程序风扇设计如下图3.16所示。图3.16 风扇控制电路图3.2.9 IGBT温度控制电路设计用100K热敏电阻作为传感器，以100摄氏度来判断是否需要停止工作，如风扇出现故障，IGBT温度会升高，从而烧毁，若传感器达到100摄氏度时，单片机发出停止工作指令并报警和故障显示，用电阻分压取样，热敏电阻在80摄氏度的时阻值为11.939K，用LM339做电压比较，来判断是否需要执行停止工作命令。IGBT温度控制电路如下图3.17所示。图3.17 IGBT温度控制电路图3.2.10 锅面温度检测(1)锅面温度采用闭环控制，当设定好温度，电磁炉开始工作，当温度达到设定的温度是停止工作，当温度低于设定温度是再次工作，其中可以使用时间控制加热所需时间。当温度达到所需时间时报警并停止工作执行关机动作(2)空锅时由于温度上升十分快，可在几秒钟上升几百度，此时对温度线性运算，来比较温度上升的速度，如上升达到空锅是温度上升时的速率说明此时是空锅状态，应停止工作并报警。锅面温度控制如下图3.18所示。图3.18 锅面温度检测电路图3.2.11 欠压检测电路设计220V交流电半波整流后经电阻分压，由LM339做电压比较，来判断是否欠压，然后送到单片机执行命令，以170V作为临界点。当电压低于170V，LM