（计算机应用技术专业论文）ht46x47在电磁炉中的应用研究.pdf

摘复 摘要 本文主要介绍了电磁炉发展，研究了利用h o l t e k 盛群半导体股份有限公 司生产的a d 型h t 4 6 x 4 7 单片机开发电磁炉的硬件系统和软件系统。较详细的 阐述了功能实现原理、硬件电路设计原理以及单片机程序的结构和软件部分的设 计。开发的电磁炉具有成本低、界面好、功能齐全等优点，有一定的市场竞争力。 第2 章的电磁炉主电路工作原理主要介绍了电磁炉的基本组成和各部分的 主要功能。其中包括系统框图及其概述和各组成部分功能描述、负载和输出电路 模型、主电路和主控制器原理框图分析。 第3 章的电磁炉功能设计原理主要介绍了如何实现电磁炉的各种功能。其中 包括加热功能、定温功能、报警功能、无锅检测、定时功能等功能说明，按键和 界面说明，功率控制p w m 输出、定温控制、定时控制、无锅检测、报警检测等 功能的实现方法。 第4 章的h t 4 6 x 4 7 单片机介绍和硬件电路设计主要介绍了h r 4 6 x 4 7 芯片的 主要结构和系统功能，单片机i 0 口资源使用分配介绍，主回路、激励电路、控 制电路、保护电路、电源电路、显示电路等硬件电路模块原理介绍。 第5 章的h t 4 6 x 4 7 单片机软件设计主要介绍了程序总体结构、主程序结构 和定时器中断部分结构。每部分都给出了编程的基本思路和流程图。 第6 章的总结描述了电路的仿真环境、仿真过程和方法，以及还需继续研究 的方向。 为了能有效地说明电磁炉功能的实现过程，最后还给出了部分关键的用汇编 语言编写的程序。 单片机的使用让电磁炉实现了智能化，可靠性高，成本低，实现的功能进一 步优化。 关键词：电磁炉；硬件系统；软件系统；单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dt h ee l e c t r o m a g n e t i co v e nd e v e l o p m e n t i th a s s t u d i e da dh t 4 6 x 4 7s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rd e v e l o p m e n te l e c t r o m a g n e t i c o v e nh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m ，w h i c ha l ep r o d u c e db yh o l t e k a b u n d a n tg r o u ps e m i c o n d u c t o rl i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y i t sf o c u s e do nf u n c t i o n r e a l i z a t i o n p r i n c i p l e ，h a r d w a r e c i r c u i td e s i g n p r i n c i p l e a sw e l la s s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e rp r o c e d u r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r e p a r t i a ld e s i g n s t h ek i n d o f e l e c t r o m a g n e t i co v e nh a sal o to fm e r i t s ，s u c ha sl o wc o s t ，w i d ec o n t a c ts u r f a c e ， c o m p l e t ef u n c t i o n sa n ds oo n i th a sc e r t a i nm a r k e tc o m p e t i t i v ep o w e r c h a p t e r2t h ee l e c t r o m a g n e t i co v e nm a i nc i r c u i tp r i n c i p l eo fw o r km a i n l y i n t r o d u c e dt h ee l e c t r o m a g n e t i co v e nb a s i cc o m p o s i t i o na n dt h em a i nf u n c t i o n so fe a c h p a r t , i n c l u d i n gs y s t e md i a g r a ma n d i t so u t l i n ea n de a c hc o n s t i t u e n tf u n c t i o n a l d e s c r i p t i o n ，l o a da n do u t p u tc i r c u i tm o d e l ，m a i nc i r c u i ta n dm a s t e rc o n t r o lf u n c t i o n a l b l o c kd i a g r a ma n a l y s i s c h a p t e r3t h ee l e c t r o m a g n e t i c o v e nf u n c t i o n a ld e s i g np r i n c i p l em a i n l y i n t r o d u c e dh o wt or e a l i z ee a c hk i n do ff u n c t i o n so fe l e c t r o m a g n e t i co v e n ，i n c l u d i n g h e a t i n gf u n c t i o n ，d e c i d i n gt h ew a l l sf u n c t i o n ，a l a r m i n gf u n c t i o n ，n op o te x a m i n a t i o n ， f i x e dt i m ef u n c t i o na n dp r e s s e dk e ya n dt h ec o n t a c ts u r f a c ee x p l a n a t i o na n dt h e m e t h o d st or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ep o w e rc o n t r o l st h ep w mo u t p u t ，d e c i d e st h e w a l t uc o n t r o l ，t h et i m e dc o n t r o l ，n op o te x a m i n a t i o na l a r m i n ge x a m i n a t i o na n ds oo n c h a p t e r4t h ei n t r o d u c t i o no ft h eh t 4 6 x 4 7s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n d t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nm a i n l yi n t r o d u c e dt h eh t 4 6 x 4 7c h i pm a i ns t r u c t u r e a n dt h es y s t e mf u n c t i o n ，t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ri 0m o u t hr e s o u r c e su s e a s s i g n m e n ti n t r o d u c t i o n ，a n d m a i nh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i tm o d u l ep r i n c i p l e i n t r o d u c t i o n ，s u c ha sr e t u r nr o u t e ，e x c i t i n gc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ， p o w e rc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t c h a p t e r5t h eh t 4 6 x 4 7s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs o f t w a r ed e s i g nm a i n l y i n t r o d u c e dt h ep r o c e d u r eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h em a s t e rr o u t i n es t r u c t u r ea n dt h et i m e r s e v e r a n c ep a r t i a ls t r u c t u r e s e a c hp a r th a sa l lp r o d u c e dt h ep r o g r a m m i n gb a s i c m e n t a l i t ya n dt h ef l o wc h a r t c h a p t e r6t h es u m m a r yd e s c r i b e dt h ee l e c t r i cc i r c u i ts i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ， t h es i m u l a t i o np r o c e s sa n dt h em e t h o d ，a sw e l la st h ed i r e c t i o n ，w h i c hs t i l ln e e d s h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的庶用研究 f u r t h e rs t u d i e s i no r d e rt oe x p l a i ne f f e c t i v e l yt h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft h ee l e c t r o m a g n e t i co v e n f u n c t i o n ，t h i sa r t i c l eo f f e r ss o m ep r o g r a m st h a ta r ec o m p i l e dw i t ht h ea s s e m b l y l a n g u a g e 1 1 l eu s eo ft h es i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rh e l p t h ee l e c t r o m a g n e t i co v e n r e a l i z e st h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，t h eh i 咖r e l i a b i l i t y , t h el o wc o s t ，a n dt h er e a l i z a t i o n f u n c t i o nf u r t h e ro p t i m i z e d k e yw o r d s ：s o f t w a r es y s t e m ；h a r d w a r es y s t e m ；e l e c t r o m a g n e t i co v e n s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：，谬b - 元) 2 a 噼5 月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其他指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非营利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密 后适应本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) 作者签名： 导师签名： 嚼三乡u 日期：肋6 年j 月i f 日 日期：乃名年，月f 1 日 第1 章绪论 第1 章绪论 i , i 中国电磁炉发展历史与现状 在上世纪8 0 年代末到9 0 年代初，中国电磁炉行业经历了一段非常艰难的发 展历程。由于设计问题及器件原因( 主要是设计原因，当时采用m o s f e t 作功率 管，耐压指标仅1 0 5 0 v 左右，采用此种功率管，功率不能作得太高) ，绝大多数 设计工程师在设计电磁炉产品时没有留足够的余量，导致部分电磁炉产品投放市 场后出现非常严重的烧机现象。电磁炉行业几乎全面亏损，当时全国仅有一两家 厂家能做好电磁炉。由于技术的进步，设计的不断完善，在上世纪9 0 年代后期 电磁炉又重新热起来。当时( 2 0 0 0 年) 全面解决电磁炉可靠性问题的代表产品有浙 江佳伶公司产品j l - 2 0 0 0 、美的p s d 一1 8 a b 型电磁炉( 中国第三代电磁炉) “1 。 现在市场上电磁炉名牌厂家的产品，虽然采用了高耐压的i g b t 器件，但可 靠性设计上还是有一定的问题，但电磁炉仍原是年增长率最快的家电产品( 约为 3 0 5 0 ) 之一，2 0 0 2 年产量约4 0 0 万台，预计2 0 0 3 年约6 0 0 8 0 0 万台，2 0 0 4 年将突破i 0 0 0 万台。电磁炉市场在达到年产2 0 0 0 万台”3 。 1 2 电磁炉的技术竞争重点 虽然电磁炉技术得到了较大发展，但从总体上看，e m s 问题和可靠性仍原是 电磁炉竞争的重点。 e m s ( 电磁干扰) 分为e m c 和e m i ，e m c 的含义为外界对本机的干扰，而e m i 为本机对外界电源上其余设备的干扰。e m c 的具体要求主要有脉冲串干扰、雷击 干扰、电源掉周波干扰等方面。e m i 主要有辐射干扰、传导干扰、谐波电流等方 面。 电磁炉的可靠性主要是指在各种工作环境下，都能可靠工作可能性。其中保 护电路相应的准确性和时间。 1 3 本课题研究的意义和目的【2 1 近年来，随着环保和节能意识的逐步提高和对电磁炉使用寿命延长的要求， h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 名牌电磁炉的e m c 问题基本上已解决，在e m i 问题上还要进一步研究，以适应新 国标对e m i 方面的要求，而大多数出口产品对e m i 的要求更高。而延长寿命主要 是在各种环境变化导致元器件参数发生微小变化时，电磁炉还能正常工作，保护 电路能有效发挥作用。 大部分电磁炉的锯齿波振荡部分一般采用的它激式，锯齿波与由单片机p w m 信号控制的单门限电压比较器得到矩形脉冲，在高频下，稳定功率输出和实时检 测同步就成了软件和硬件设计的难点和关键所在。 为了提高电磁炉的可靠性，本课题将采用h o l t e k 公司产的a d 型单片机 h t 4 6 r 4 7 对电磁炉中的应用进行研究，对定温控制、实时检测、报警检测和功率 控制的电路和程序进行设计，特别是对锯齿波振荡部分及其相应软件进行料研 究，以达到提高电能转化效率、增强工作稳定性的目的。 第2 章电磁炉主电路工作原理 第2 章电磁炉主电路工作原理 2 1 系统框图及其概述口1 下图为高频电磁炉原理方框图，它是由电源回路、主回路、单片机控制电路 和保护电路等单元电路组成。它的工作原理是首先将2 2 0 v 交流电转换成直流电 压再通过励磁线圈加到i g b t 上，i g b t 受驱动信号的控制而导通和截止，在励 磁线圈中有频率为2 0 5 0 k h z 的电流流过励磁线圈的周围将产生高频磁场，若 此时有铁锅置于炉台上，则在锅底内会有涡流产生此涡流克服锅体内阻流动时将 电能转换成热能作为烹饪的热源。下面对框图中各部分作简要说明： 图2 - 1 电磁炉系统框图 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 2 1 1 主回路 如框图所示，i g b t 是受矩形脉冲驱动的。当i g b t 导通时流过励磁线圈的 电流迅速增加，当i g b t 截止时lc 回路发生谐振，i g b t 集电极产生脉冲高压， 当此高压降至接近0v 时( 励磁线圈中电流正在反向减小时) ，驱动脉冲再次加 到i g b t 的基极使i g b t 再次导通。驱动矩形脉冲信号的脉宽决定了电磁炉负荷 电流的大小。 2 1 2 同步电路 同步电路严密监视主回路工作状况。当i g b t 电压下降接近0 v 时输出一个 触发脉冲强行使振荡电路开始下一个周期的振荡，并使i g b t 导通，这样可避免 励磁线圈中的电流瞬间变化太大，保护了关键部件i g b t 。 2 1 3 振荡电路 振荡电路输出矩形脉冲。正常工作时该矩形脉冲的上升沿时刻受同步电路的 强行控制，以确保与主回路l c 谐振电路同步，而矩形脉冲的宽度受电流负反馈 电路的控制。 2 1 4 电流负反馈电路 负荷电流的反馈信号和单片机输出的p w m 信号相比较形成电流负反馈的输 出。这样可限制负荷电流不至过高。改变p w m 的占空比就可控制负荷电流的大 ，j 、。 2 1 5 过压保护电路 该电路严密监视市电上尖峰干扰和i g b t 集电极电压，一旦电压过高，即刻 关断驱动脉冲。该电路是由全硬件实现的因此保护速度极快。 2 1 6 电源电路 电源电路输出两个电压值，+ 5 v 主要对单片机和其它电路供电，+ 1 8 v 用在 驱动电路和运放电路中。 2 1 7 单片机及其周边电路 单片机的加入使电磁炉实现了智能化，使它增色不少。其中主要包括提供良 4 第2 章电磁炉主电路工作原理 好的人机界面，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等。 如图所示，单片机对3 路输入的模拟信号进行模数转换，根据模数转换 值，对电磁炉的工作状况进行推理、判断，找出其中的最佳方案，对电磁炉进行 控制。 单片机的4 路输入的模拟信号分别为市电电压信号v o l ，负荷电流信号c r u 、 i g b t 温度信号i g b t 、锅底温度信号p o t 。单片机的2 路中断信号分别为过压信 号v o l 和无锅检测信号v r u 。单片机的2 路输出，一是p w m 信号，可控制负荷 电流；二是风扇控制直流控制输出和蜂鸣器脉冲输出，风扇工作可使i g b t 降温， 蜂鸣器可给用户提示。 电磁炉的主电路是一个a c d c a c ( 交流一直流一交流) 变换器，由桥式整流 器和电压谐振变换器构成，如图2 1 所示。市电的交流电源经桥式整流器变换为 直流电，再经电压谐振变换器变换成频率为2 0 4 0 k h z 的交流电。这个高频交流 电通过在圆形平面上绕制的线圈盘藕合到锅具的底部，在锅具底部产生旋涡状电 流，使锅具快速生热。电压谐振变换器是主电路的核心，其作用是使直流电逆变 为高频交流电，以满足感应加热的要求。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压 型( z v s ) 变换器，主开关元件是功率晶体管，常称为功率开关管。目前，采用绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) 。功率开关管的开关动作是由图2 1 所示的主控制器控 制，并通过为满足功率开关管驱动条件的驱动电路来完成的。 2 2 负载和输出电路模型n 1 电磁炉加热原理如图2 2 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：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 图2 2 电磁炉加热原理图 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 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。 电磁炉的负载就是它所使用的锅具。没有锅具，电磁炉就没有功率输出。因 此，锅具与电磁炉主电路中的线圈盘共同构成了电压谐振变换器的输出电路，锅 具也是主电路中的一个元件。 ( a ) 线圈盘示意图 ( 绝缘、隔热) ( b ) 感应加热示意图 ( c ) 锅底的环形电流区 图2 3 电磁炉加热结构图 目前，由于受器件和成本的限制，电磁炉的锅具还仅限于电阻率和磁导率都 较高的铁质材料。电磁炉中的线圈盘是圆形平面骨架上紧密绕制的一匝匝线圈构 成，图2 3 ( a ) 是示意图。通常在平面线圈的背面要放置一些铁氧体磁条，呈放 射状布置，如图2 3 ( a ) 中虚线所示。作用是提高线圈盘的电感量和约束磁力线， 以减弱磁场对其它电路的干扰。 电磁炉是通过线圈盘向锅具传输功率的，如图2 3 ( b ) 所示。按电磁感应原 理，当线圈盘的线圈中流过交变的高频电流时，沿线圈盘半径方向会产生闭合的 磁力线，磁力线通过锅具的底部时，在锅具底部沿圆周会产生环形电流。在任一 时刻，这个电流的方向总是与线圈盘中电流的方向相反。在锅具底部电流流通的 区域，就是被磁力线切割的区域，呈圆环状，如图2 3 ( c ) 所示。由于高频电流 的趋肤效应和邻近效应，锅具底部靠近线圈盘的表面，电流密度为最大，锅具表 面离开线圈盘的方向往里，电流密度则按指数规律减弱。因此，在图2 3 ( o ) 所 示的电流流通的圆环上，高频电流流通的截面是基本固定的。并不因锅具底部的 厚度而变化。在电流流通截面基本固定的圆环上，存在着锅体材料的电阻就是电 磁炉的负载电阻。高频电流在该电阻上产生的焦耳热，就是电磁炉在锅具上生成 的热源。通常线圈盘的线圈平面到锅具底部表面的距离在5 1 5 m m 。有一部分磁 力线并不穿过锅具，而是从这个间隙中通过。因此，使得线圈盘在传输功率的过 6 第2 章电磁炉主电路工作原理 程中还保持一定的电感量，这样，线圈盘在传输能量的同时，还储存了能量，为 产生谐振创造了条件。 综合上面的分析，我们可以进一步地把图2 3 ( c ) 所示的电流流通的圆环区 域看作是一个闭合的单匝线圈，用l 2 ：表示这个线圈的电感量。该圆环区域存在 的高频电流下的电阻记做r 2 。我们可以用成闭合回路的l 2 和r 2 来等效表示这 个闭合的单匝线圈。线圈盘和它的电感量用l o 代表。这样，就构成了一个变压 器。r 2 则是该变压器的负载电阻。由于l 2 和l o 之间有很大空气间隙，因此， 这是一个空心变压器，如图2 4 ( a ) 所示。这就是电磁炉输出功率的等效电路模 型。 为了便于后面的分析，对图2 4 ( a ) 还可以做进一步的等效变换。将空心变 压器次级的负载电阻r 2 和电感l 2 折合到初级，如图2 4 ( b ) 所示。其中，r l 是 次级电阻r 2 反射到初级的等效负载电 阻，l r 是次级电感l 2 反射到初级并与初级 电感l o 相叠加后的等效电感。这里忽略了 线圈盘线圈的导线电阻，因为，导线电阻 远小于等效负载电阻，并不影响后面的分析。 图2 4输出电路等效模型 2 3 主电路和主控制器原理框图分析 5 电磁炉的主电路和主控制器原理框图已示于图2 1 ，主电路和主控制器是电 磁炉最基本的电路结构。 图2 5 电磁炉的主电路 在主电路中，桥式整流器肋将市电的工频电源变换为单向脉动的直流电， 通过扼流圈l 1 供给由滤波电容c 2 、谐振电容c 3 、谐振电感( 含负载) l 2 、二极管 d 和功率开关管i g b t 等构成的电压谐振变换器。c 3 与l 2 构成谐振回路，图2 5 7 虬弓 ， h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 中的l 2 还包括负载在内。二极管d 的作用是为部分谐振电流提供通路，保护功 率开关管。功率管i g b t 是电压谐振变换器的主开关。 当主开关i g b t 导通时，使直流电压加在l 2 上，l 2 中的电流由0 开始按指 数规律上升，通过l 2 向负载传输能量，同 时，l 2 中也储存能量。当主开关i g b t 关 断后，l 2 中的能量向c 3 中转移而发生谐 脚( 了斟l r _ 振。在主开关的集电极出现波形为正弦波 。 的谐振电压。该电压从零电位开始升到正 峰值，又从正峰值回落到零电位。在谐振 电压接近零电位时，在主控制器的控制下， o 主开关i g b t 又导通，重复前面的过程。在 谐振期间，谐振电流在l 2 中流动，向负载 传输能量。主要工作波形于2 6 图，其中 分别画出了线圈盘中的电流i 。和主开关上 的电压u 。的波形。 如图2 1 所示，主控制器由同步电路、 振荡电路、包括锯齿波发生器、脉宽调制 ；r厂卜 ，lf 图2 6 主电路波形 器和电流负反馈控制等构成。主控制器的基本功能有三个：1 调节主开关的导通 时间，由此调节电磁炉的电流或功率；2 使主开关开通的时刻与主开关上谐振电 压回落到零电位( 或接近零电位) 的时刻同步，以实现零电压开通，最大限度地减 小开通损耗；3 使主电路的工作电流稳定。 在图2 1 所示的主控制器的原理框图中，同步电路和振荡电路用于实现功 能：1 直流电源u d 和谐振电压u 。在同步电路中相比较，可以检测出谐振电压回落 到零电位的时刻，此时刻用于实现同步功能。2 电流负反馈电路、脉宽调制器、 i g b t 驱动电路、主电路和电流互感器构成了闭环调节系统，其调节对象是交流 输入电流，从而实现功能。3 主控制器在电磁炉中是最基本的控制电路，在它的 配合下，电压谐振变换器才能正常工作。 第3 章电磁炉功能设计原理 3 1 功能说明 3 1 1 加热功能 第3 章电磁炉功能设计原理 加热火力分为5 档，由高至低分别为：炒、炸、煮、煎、保温。不同火力档， 输出不同功率。对应的功率分别为1 6 0 0 w ，1 4 0 0 w ，1 2 0 0 w ，1 1o o w ，8 0 0 w ；( 5 0 w ) 。 其中8 0 0 w 档为断续加热，即开3 秒，停3 秒。对应的功率可根据用户的需要再 增加或减少。 3 1 2 定温功能 定温温度有5 档，由高至低分别为：2 4 0 。c ，2 0 0 。c ，1 4 0 。c ，1 0 0 。c ，8 0 。c 。温 度控制均为上、下限控制，每5 秒钟控制一次，若温度高于上限则关断加热脉冲； 若温度低于下限则打开加热脉冲，以最高火力档加热。定温温度档数可根据用户 需要再增加或减少。 3 1 3 定时功能 最高定时时间为1 2 0 分钟。开机后定时时间为1 2 0 分钟，按定时键可调整定 时时间，定时时间以5 分钟为一档递增或递减。定时时间到后，电磁炉自动关机。 3 1 4 无锅检测 当炉台上无锅时，电磁炉可自动检测，此时显示全灭，每2 秒蜂鸣器响一次， 电源指示灯闪烁一次，持续3 0 秒后( 蜂鸣器响1 5 次) ，自动关机。若3 0 秒内， 又将锅放回炉台上，则以原来的方式工作，无锅检测时间不计入定时时间。当电 磁炉处于关断加热脉冲时( 如定温温度己超过上限) ，无锅检测将失效。 3 1 5 报警功能 当开机时，微电脑不断检测电磁炉的工作状况，当出现异常时，将发生报警。 报警时，蜂鸣器响一次，发光二极管全亮，数码管高位显示e ，低位显示报警号， 持续5 秒后自动关机。报警号如下： 1 、欠压、过压报警 9 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 当市电电压低于1 7 0 v ，或超过2 6 0 v 时报警，数码管显示e 1 。 2 、i g b t 超温、i g b t 传感器开路报警 i g b t 温度过高或i g b t 温度传感器开路报警。数码管显示e 2 。当环境温度低 于零下负3 0 度时，将会误判为传感器开路报警。 3 、锅底温度超温、传感器断路报警 若锅底温度过高，或温度传感器断路则报警，数码管显示e 3 。 开机后，将延时一段时间，再进行锅底温度传感器断路检测。延时时间将根 据开机时的环境温度( 用i g b t 温度检测通道) 而变化，若环境温度大于0 度，则 延时2 分钟；若环境温度小于0 度，则延时时间随着环境温度的降低而增加，最 大延时时间为9 分钟。若无延时，当环境温度小于0 度时，将会误判为传感器开 路报警。 4 、负荷电流过大报警 若负荷电流过大，则报警，数码管显示e 4 。 5 、风扇关闭条件 关机后，风扇关闭的条件是：i g b t 的温度低于5 0 度。 3 2 按键和界面说明 电磁炉数码管界面有6 个按键，分别为： 1 、开关键，可切换开关机状态。 2 、定时增键，在开机状态下，增加定时时间。 3 、定时减键，在开机状态下，减少定时时间。 4 、加热定温键，在开机状态下，可以在加热和定温两种工作状态之间切换。 5 、档位增键，在丌机状态下，可增加档位。 6 、档位减键，在开机状态下，可减少档位。 电磁炉用户界面还有2 位数码管，可显示2 位定时时间；8 个指示灯，5 个 用于火力显示，1 个电源灯，1 个显示加热状态，另1 个显示定温状态。 电磁炉上电时，蜂鸣器响一声，进入关机状态。关机状态下，无显示，无任 何检测、报警功能。此时按开关键，可开机。开机后，“电源”指示灯亮，用户 1 0 第3 章电磁炉功能设计原理 可进行如下操作： l 、刚开机时，数码管显示9 0 ，表示定时时间为9 0 分钟。每按一次定时增 键，定时时间将增加5 分钟，最长时间为9 0 分钟：每按一次定时减键，定时时 间将减少5 分钟，最短时间为5 分钟，若小于5 分钟，再按定时减键则关机。 2 、在开机状态的任何时一候，按加热定温键，可以在加热和定温两种工作 状态之间切换，加热和定温指示灯可以指示当前电磁炉处于哪种工作状态，刚开 机时，电磁炉处于“加热一炒”状态，“加热”指示灯和“炒”指示灯均亮。 3 、电磁炉处于“加热”状态时，按档位增或档位减键，可改变加热火力在 “炒”、“炸”、“煮”、“煎”、“保温”之间切换，切换至哪个火力档，哪个火力档 下面的指示灯就亮。 4 、电磁炉处于“定温”状态时，按档位增或档位减键，可改变定温温度在 2 4 0 。c ，2 0 0 。c ，1 4 0 。c ，1 0 0 。c ，8 04 c 之间切换，切换至哪个火力档，哪个火力档 上面的指示灯就亮。 3 3 功能实现原理哺3 3 3 1 功率控制p w m 输出 输出占空比不同的p w m 信号，所形成的负荷电流的大小是不同的，占空比越 高，负荷电流就越大；占空比越低，负荷电流就越小。 当用户选择不同的火力时，在市电电压相同的情况下，达到相应火力所需的 负荷电流是不同的，当市电电压不同时，达到相同火力档的火力所需的负荷电流 也是不同的，所以要保持电压与电流的乘积不变，这就是功率控制。为了达到功 率控制的目的，p w m 输出信号的占空比就应该由用户所设的火力档和市电电压共 同决定。每一个火力档对应一个输出功率。假设要求达到的功率为p ，市电电压 为v ，所需的电流大小i = p v 。再由电流来确定p w m 信号占空比。 在确定控制方案之前，需要进行如下测试项目： 一、市电电压有效值与所形成的直流电压v o l 之间的关系 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 o r 电 压 1 7 1 81 92 02 l2 22 32 42 52 6 市电电压( * 1 0 v ) 图3 1 vm 自一- v 。关系曲线 测试方法：利用3 0 0 0 w 以上的调压器，使电磁炉供电电压从1 7 0 v2 6 0 v 变化， 测量v o l 电压，制成表格，画出vm m v 。关系曲线，如图3 1 所示。 市电电压( v ) 1 7 01 8 01 9 02 0 02 1 02 2 02 3 02 4 02 5 02 6 0 v o l 电压( v ) 2 1 7 2 2 82 4 02 5 52 6 7 2 7 7 2 9 0 3 0 53 1 6 3 2 8 由图可见它们的关系基本上是线性的，可得出市电电压值与a d c 转换值的近 似解析公式： v = v o l x 2 2 0 2 6 6 = v o l 。7 9 4 5 1 ：1 5 5 7 v o l 。 v o l 。为v o l 电压a d c 值。 二、比较电压v 。( u 2 0 2 第5 脚) 与负荷电流的关系 比较电压r 。的大小可以直接控制负荷电流，p w m 信号正是通过控制v 。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： v 。= 5 ( 1 + 2 0 占空比) 2 1 ，它是线性且单调的，每一个p w m 占空比都可以得 到唯一的一个v 。因此，只要得到比较电压v 。( u 2 第5 脚) 与负荷电流的关系， 就可以得到p w m 占空比与负荷电流的关系。最后用软件具体实现时，是用p w m 信 号来控制负荷电流的。 三、功率的测量 用户设定的5 档炒、炸、煮、煎、保温火力所对的功率分别为1 6 0 0 w 1 4 0 0 w ，1 2 0 0 w ，11 0 0 w ，8 0 0 w 。实测原电磁炉的输出功率、市电电压、负荷电流、 1 2 第3 章电磁炉功能设计原理 p w m 占空比关系如下 输出功率( w ) 1 6 0 01 4 0 01 2 0 01 1 0 08 0 0 市电电压( v ) 2 2 22 2 22 2 22 2 22 2 2 负荷电流( a ) 7 t 3 3 6 2 1 5 55 0 23 6 7 p w m 占空比( 6 3 )5 8 4 7 4 03 52 2 。、l 最高 4 4 83 6 83 2 4 2 8 8 2 “l 最低 3 7 6 3 1 62 8 02 5 2 l t 7 6 8 负7 荷6 电5 流4 s 3 。2 1 1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 p 删占空比( ) 图3 2 负荷电流与p w m 占空比的关系曲线 由此可绘出与p w m 占空比的关系曲线，如图3 2 所示。可见它们之间基本上 是线性关系，可用近似用如下解析式表示。 p w m 占空比= o 1 5 6 x 负荷电流一0 2 2 2 四、控制方案”“” 1 、控制公式 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：p i n 占空比= 0 1 5 6 p v _ 0 2 2 2 为了便于单片机处理，将占空比表示为p w m 1 2 8 ，1 2 8 为一个p w m 信号周期 计数值，3 2 u s 为一个周期；功率p 表示为p t a b 1 0 ，p t a b 为火力档功率查表值， 由高至低分别为1 6 0 ( a o h ) ，1 4 0 ( 8 c h ) ，1 2 0 ( 7 8 h ) ，1 1 0 ( 6 e h ) ，8 0 ( 5 0 h ) ： 将v 的测量解析式代入，得： p 删= 1 2 8 p t a b v o l m 一2 8 注意，为了不影响精度，在编写软件计算时应先乘后除。 2 、边界控制 当功率最高，而市电电压最低时，按上式计算p w m = 1 5 8 ，实际可用p w m 最大 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的麻用研究 值为1 2 2 ( 7 a h ) 。 当功率最低，而市电电压最高时，按上式计算p w m ：3 3 ，实际可用p w m 最小 值为3 8 ( 2 6 h ) 。 3 3 2 定温控制 定温温度分为5 档，由高至低分别为：2 4 0 ，2 0 0 ，1 4 0 ，1 0 0 8 0 。温度控制 均为上、下限控制，每5 秒钟控制一次，若温度高于上限则关断加热脉冲；若温 度低于下限则打开加热脉冲，以最高火力档加热。 模糊控制温度 控制量u 分为7 档0 - - 6 ，0 为最低档( 停止加热，控制线输出为高) ，l 至6 档分别对应输出脉宽2 5 ，3 7 ，4 9 ，6 1 ，7 3 ，8 5 。 温度偏差e - y 0 一y ( k ) + 1 0 ，y 0 为设定温度，y ( k ) 为当前采样温度值。 温度变化率e c = y ( k ) 一y ( k - 1 ) + 6 ，y ( k - 1 ) 为上次采样温度值。 e 和e c 利用公式： y = 1 2 ( b - a ) x 一( a + b ) 2 进行离散化。其中a ，b 分别为下、上限。 为 定温温度 定温火力功率p o t 输入电压( v ) ( )( w )上限 下限 2 4 01 6 0 02 9 82 6 5 2 0 01 6 0 02 4 2 1 8 1 4 01 6 0 01 4 3 1 1 7 1 0 01 6 0 00 7 50 6 5 8 01 6 0 0o 4 50 3 5 控制增量u ，温度偏差e 及温度变化率e c 均量化为1 3 档。控制增量可分 ( 6 ，一5 ，一4 ，3 ，一2 ，一l ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 温度偏差e 及温度变化率e c 可分为： ( 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 l ，1 2 ) 温度在所设定的上下限之间进行模糊控制。不同的温度档，其上、下限是不 1 4 第3 章电磁炉功能设计原理 同的。 若温度在上限( y o + 2 0 0 m v ) 之上，则不管温度变化率如何，一律为最低档。 若温度在下限( y o - 2 0 0 m v ) 之下，则不管温度变化率如何，一律为虽高档加 热。 则最大温差为2 0 0 m v ，对应采样值为o a h ，模糊化温差= e 3 5 。若模糊化温 差 1 2 ，则为超上下限。 根据实测温度变化率，每5 秒采样一次温度值，若温度一次变化1 2 0 m y ，则 为最高变化率，对应采样值变化约0 6 h 。模糊化温度变化率= e c 。若模糊化温度 变化率 1 2 或 6 ，表明实际温度低于设定温度，且绝对值越大，温度越低； e 6 ，说明温度正在上升，且绝对值越大，上升越快； e c 6 ，说明温度正在下降，且绝对值越大，下降越快； 根据模糊推理的合成解析公式u = ( e - e c + i ) ) ) 1 ，得出下表： 温差 e 控制增量 高中高 u 0 1345 6 7 8901 1 1 2 ool12233445566 1- 1o11223344556 21101122334455 3 - 2 1 1 0l12233 44 5 温 4221101l2233 4 4 度 5 322110l122334 变 63 32 - 2 11o11223 3 化 74332_ 21101l223 窒 8_ 4- 4- 33221。101122 e c 9 5- 4- 4 3 3_ 2- 21一l01l 2 i 055 - 4 - 4 33 _ 2 - 211ol1 l l- 65- 5o- 4- 3- 3- 2- 211o1 1 266 5- 5- 4_ 43 3 - 2- 211 0 h t 4 6 x 4 7 在电磁炉中的应用研究 3 3 3 定时控制 最高定时时间为1 2 0 分钟。开机后定时时间为1 2 0 分钟，按定时键可凋整定 时时间，定时时间以5 分钟为一档递增或递减。定时时间到后，电磁炉自动关机。 数码管显示面板显示剩余时间。 3 3 4 无锅检测 当炉台上无锅时，电磁炉可自动检测，此时显示全灭，每2 秒蜂鸣器响一次， 电源指示灯闪烁一次，持续3 0 秒后( 蜂鸣器响1 5 次) ，自动关机。若3 0 秒内， 又将锅放回炉台上，则以原来的方式工作，无锅检测时间不计入定时时间。检测 原理：当控制线打开时，无锅负荷电流将很小，即c r u 电压将很低。可通过实验 测定一个无锅检测c r u 电压临界值( 0 8 v ) ，若当控制线打开5 0 m s 以上时，c r u 电压小于此临界值，则认为是无锅，以后输出无锅检测p w m 占空比，关断控制线， 每过2 秒再打开控制线检测一次，若c r u 电压高于c r u 临界值，则认为有锅，恢 复原来的工作状态；若连续1 5 次检测到无锅，则自动关机。无锅检测时，按关 机键，应能关机。当刚打开控制线时，负荷电流及c r u 电压的建立都需要时间， 因此必须延时5 0 m s 。否则炉台上即使有锅也检测不出来。 当电磁炉处于控制线关断状态时( 如定温温度己超过上限) ，应跳过无锅检 测。 3 3 5 报警检测 当开机时，微电脑不断检测电磁炉的工作状况，当出现异常时，将发生报警。 报警时，蜂鸣器响一次，发光二极管全亮，数码管高位显示e ，低位显示报警号， 持续5 秒后自动关机。报警号如下： 一、欠压、过压报警 当市电电压低于1 7 0 v ( v o l 电压= 2 1 6 v ) ，或超过2 6 0 v ( v o l 电压=