智能型宽电压电磁炉的设计.doc

学院毕 业 设 计智能型宽电压电磁炉的设计系 别:专 业 名 称:学 生 姓 名:学 号:指导教师姓名、职称：完成日期 200 年 4月 30日2学院本科毕业论文（设计）开题报告选 题智能型宽电压电磁炉的设计院 系专 业学生姓名指导教师本选题的意义及国内外发展状况：1课题研究的意义：据市场调查显示,电磁炉在国内外市场的需求量很大。国外的许多服务行业和家庭己习惯使用这类智能化程度高、环保、高效的微电脑电磁炉,而且产品的更新速度也比较快。电磁炉正处产品生命周期中的成长期,对该产品的需求,国内市场容量和潜力巨大，国际市场只要质量和技术档次能跟上, 出口前景同样看好。2国内外研究状况： 电磁炉起源于德国。在我国, 电磁炉也开始步入千家力户。与其他厨房加热设备（煤气灶, 液化气）相比, 电磁炉产品具有以下特点（1）品质优秀, 选材考究（2）安全至上, 以人为本（3）操作简便, 随心所欲（4）热效率高, 无火烹饪易于清洁据有关资料显示, 煤的热效率约为一, 液体燃料的热效率约为20-40%、气体燃料的热效率约为50-60%, 而电磁炉由于其电磁感应加热原理,热效应直接作用于锅底发热, 其热效率高达80-90%, 完全能满足中国人大火快炒的要求。这样, 既节约了电能, 又节省了时间。由于没有明火, 台面非常易于清洁。纵观国内电磁炉的发展现状, 从技术角度分析, 主要有以下几个方面(1)品牌呈现“百家争鸣” (2)外观设计“ 百花齐放”,结构性能有待提高(3)零件设置“层次不齐”(4)技术上的“ 停滞不前”。研究内容：详细介绍了智能型宽电压电磁炉的加热原理、驱动电路、保护电路、控制电路与辅助电源电路，研究了电磁炉感应加热原理，功率、定温控制原理，锅具检知原理，报警系统。利用MCU系统设计，单片机HT46R22，IGBT驱动电路来研制智能型宽电压电磁炉。主电路包括控制电路（脉宽调制、锯齿波形成、控制电平形成、锅具检测与同步电路）、保护电路(欠压过压保护、过流保护、过热保护、风扇工作异常检测保护)、辅助电源电路和显示电路（数码管显示电路和VFD显示电路）。其中辅助电源设计是基于TOP223Y和VIPER12A的开关电源设计。应用了模糊控制理论来控制输出功率恒定的模糊控制、温度模糊控制和模糊电磁电饭煲。此外还有软件具体设计方面。22研究方法、手段及步骤：1课题背景叙述电磁炉的发展历史，国内电磁炉市场的发展过程，电磁炉的发展与趋势。2电磁炉国内外发展形势论述了电磁炉国内外发展与形势，电磁炉在生活中的重要性是不可或缺的，揭秘了国内市场的潜力，这更能为研制新型电磁炉提供一切的市场动力。3电磁炉感应加热原理从学术原理上介绍了感应加热的基本理论知识包括电磁感应和集肤效应；介绍了电路拓扑的硬开关电路和谐振软开关电路；深入研究应用到电磁炉感应加热系统中的电磁炉工作原理和电路系统还有准谐振变换器的工作原理，对负载和输出电路模型以及电压谐振变换器的工作过程作出了浅显易懂的分析。4智能型宽电压电磁炉深入介绍智能型宽电压电磁炉的功能型设计和功能实现原理。5硬件电路设计与工作原理分析这是最主要的内容，其中包括MCU系统设计，主电路，IGBT驱动电路，控制电路，保护电路，辅助电源电路，显示电路等重要部分介绍。6软件设计包涵了程序总体结构，主程序结构定时器和中断部分结构7最后是研究结果参考文献：1 张占松,蔡宣三. 开关电源原理与设计M.清华大学出版社，2001：181.2 韦巍编. 智能控制技术M. 浙江大学出版社,1999:236.3 孙涵芳,徐爱卿.一系列单片机原理及应用M北京航空航天大学出版社.4 赵晶,齐铂金,张伟,吴红杰.PI调节逆变式IGBT感应加热电源频率自动跟踪技术J.电力电子技术,2003,April,NO.2.5 诸静.模糊控制原理与应用M.机械工业出版社.6 林谓勋.现代电力电子电路M.浙江大学出版社.7 邓家银.电磁灶的工作原理基本电路及其使用维修J.电子天府,2008(2).3-18.8 黎东发.一种电磁灶电脑控制器的设计J电机电器技术.2003(2).-28-31.9 Nigim,K.A.Heydt,G.T.Power quality improvement using integral-PWM control in an AC/AC voltage converter.Electric Power Systems Research VolumeJ.Electric Power Systems Research Volume,63,Issue,1,August,2002.智能型宽电压电磁炉的设计摘 要本文所研究的课题是智能型宽电压电磁炉的设计。论文基于电磁感应加热原理, 介绍了智能型宽电压电磁炉, 主要包括电磁炉硬件电路设计及工作原理分析、模糊控制理论的应用、辅助电源设计、软件设计四个方面的内容。硬件电路主要包括主谐振电路IGBT触发电路、功率控制电路、保护电路、辅助电源电路和显示电路等功能单元, 主要实现的功能如下加热、定温、定时、预约关机、无锅检测、报警具体包括过热、过压、欠压、过流、温度传感器断路、短路、风扇失效等等功能。显示界面有数码管显示和真空荧光显示。单片机的使用让电磁炉实现了智能化, 主要包括提供了良好的人机界面、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、保护等功能。该系统涉及电力电子、单片机系统、感应加热、智能控制等多个领域的知识, 经过反复试验运行, 系统运行稳定可靠。开发出智能化、宽电压范围、具有各种保护功能的新型电磁炉更具有现实意义和经济意义。关键词：电磁炉；感应加热；模糊控制；开关电源；真空荧光显示Design Intelligent Induction Cooker with Wide VoltageAbstractThis thesis is of the design of “Design Intelligent Induction Cooker with Wide Voltage”.Basing on the basic principle of electromagnetic induction heating,this thesis introduces the design and development of Induction Cooker,which mainly involves four aspects:hardware circuit design and the analysis of working principle ,application of fuzzy control theory,swithching power supply design and software design.Hardware circuit includes the unit loop circu its such as main resonant circuit.IGBT trigger circuit,pwer control circuit,protective circuit,the auxiliary power supply and displaying circuit etc.The function,warm function,time function,no pan detecting and alarm fuction,which includes overcheat alarm,overvoltage or uncer voltage alarm,fan failure alarm etc.The cisplaying interface has Digital Number Display Indicator and Vacunm Fluorescent Display.The use of MCU makes the induction cooker intelligence,which mainly offers good man-machine interface,power automatic control and temperature automatic control,time control as well as various automatic detections alarm etc.This system covers many fields such as power electronics,MCU system,induction heating,intelligence control etc.After many timestesting and running,the system runs steadily and reliably.Develops intellectualized, the width voltage range, to have each kind of protection function new electromagnetic oven to have the practical significance and the economic significanceKeywords:Induction Cooker；Iduction Heating；Fuzzy Control；Switching Power Supply；VFD目 录摘 要IAbstractII前 言3第1章 电磁炉国内外发展形势2第2章 电磁炉感应加热原理32.1 概述32.2 感应加热的基本理论42.2.1 电磁感应42.2.2 集肤效应42.3 电路拓扑52.4 电磁炉感应加热系统52.5 准谐振变换器的工作原理7第3章 智能型宽电压电磁炉功能原理与设计83.1 智能型宽电压电磁炉83.1.1 功能型设计83.1.2 功能实现原理103.2 硬件电路设计与工作原理分析123.2.1 MCU系统设计123.2.2 主电路143.2.3 IGBT驱动电路153.2.4 控制电路153.2.5 保护电路193.2.6 辅助电源电路203.2.7 显示电路203.3 模糊控制理论的应用223.3.1 温度模糊控制223.3.2 模糊电磁电饭煲223.4 软件设计243.4.1 程序总体结构243.4.2 主程序结构243.4.3定时器中断部分结构28第4章 设计结果及其分析314.1 智能型宽电压电磁炉的设计结果314.1.1 测试结果314.1.2 结果分析及展望324.2 智能型宽电压电磁炉的先进性和创新点32附 录33参考文献35致 谢3638前 言电磁炉又称为电磁灶, 它起源于德国。在西方发达国家, 电磁炉的普及率达到了60%-70%，在我国, 电磁炉也开始步入千家力户。与其他厨房加热设备（煤气灶, 液化气）相比, 电磁炉产品具有以下特点（1）品质优秀, 选材考究电磁炉在工作过程中锅底要达到200的高温, 所以要选择耐高温、抗磨损、隔热性能好的微晶玻璃面板, 它耐高温达1500 , 耐温差800。而普通的陶瓷面板耐热冷温度差只有400 , 容易爆裂。（2）安全至上, 以人为本无锅检测功能、工作状态自我检测功能、无人看管自动关机功能、面板中央超过240 过热自动保护功能、内部过温保护功能、过压过流保护功能等确保了电磁炉使用安全。（3）操作简便, 随心所欲电磁炉的普及与它的操作简便有直接关系。它能够满足从煲汤到炒菜、80到240定温、从1分钟到4小时的定时、预约开关机等多种功能, 使操作更加简便、轻松, 使用方便。（4）热效率高, 无火烹饪易于清洁据有关资料显示, 煤的热效率约为一, 液体燃料的热效率约为20-40%、气体燃料的热效率约为50-60%, 而电磁炉由于其电磁感应加热原理,热效应直接作用于锅底发热, 其热效率高达80-90%, 完全能满足中国人大火快炒的要求。这样, 既节约了电能, 又节省了时间。由于没有明火, 台面非常易于清洁。据市场调查显示, 电磁炉在国内外市场的需求量很大。国外的许多服务行业和家庭己习惯使用这类智能化程度高、环保、高效的微电脑电磁炉, 而且产品的更新速度也比较快。电磁炉正处产品生命周期中的成长期, 对该产品的需求, 国内市场容量和潜力巨大, 未来3年, 国内将有7000万台电磁炉的市场需求。国际市场只要质量和技术档次能跟上, 出口前景同样看好。在这样的市场和需求背景下, 开发出智能化、宽电压范围、具有各种保护功能的新型电磁炉更具有现实意义和经济意义。第1章 电磁炉国内外发展形势国外研究电磁炉历史悠久, 德国率先研制出高频电磁炉(工作频率20-50KHz), 紧接着日本也研制出高频电磁炉。国内在20世纪80年代末到90年代初曾掀起电磁炉热潮, 因当时元器件和设计方面的原因(主要是设计原因)、许多电磁炉产品可靠性很差, 导致大量电磁炉生产厂出现亏损。曾经一度出现过空档期, 直到世纪末才出现起色, 并引起国内家电行业的关注, 随之而来的是众多家电品牌以及新品的诞生。从目前状况来看, 国内电磁炉市场比西方发达国家至少晚了5-10年的时间。(1)国内电磁炉的发展大致经历了以下几个阶段: 第一代产品有环保牌(包括雅达)电磁炉等。第二代产品有上海德听和富士宝电磁炉、控制电路用3片LM33。第三代产品有美的PSD系列产品和浙江永康公司电磁炉产品等。第四代产品有美的PD系列产品和广东南海威利宝电磁炉等。美的PD系列产品特点是电路设计简单, 工作可靠性很好PD系列产品成本降低。威利宝电磁炉由深圳拓邦公司设计生产控制板部分, 是国内第一家改进松下电磁炉方案较为成熟的产品。(2)纵观国内电磁炉的发展现状, 从技术角度分析, 主要有以下几个方面：品牌呈现“ 百家争鸣” ；外观设计“ 百花齐放” , 结构性能有待提高；零件设置“ 层次不齐” ；技术上的“ 停滞不前”。(3)经过多年的市场运做, 电磁炉已经被更多的消费者所接受, 在今后的三五年内, 国内电磁炉发展势必会芝麻开花节节高。国内电磁炉在3-5年内, 会朝向以下几个方面发展:外观设计趋向流线型、超薄型方向发展;功率越做越大, 市场越分越细;多功能复合型电磁炉将成为新的厨房主流电器;电磁炉锅具的多样性和适用性。第2章 电磁炉感应加热原理2.1 概述感应加热是法拉第电磁感应定律的应用。感应加热在很多工业生产中得到了应用,现在, 人们对高质量、高效率、高安全性的家电产品的要求越来越高。采用感应加热原理的家电产品如电磁炉、电磁电饭煲、电磁热水器等以其安全、高效、快速、清洁等优点吸引了众多的消费者。本章介绍感应加热的基本理论、电路拓扑和感应加热系统。2.2 感应加热的基本理论感应加热包含三个基本的要素电磁感应、集肤效应和热量传输。感应加热的过程简单地说就是根据安培定则, 线圈中通过交变的电流的时候周围会产生磁场, 当一个导体放入这个交变的磁场中的时候, 由于法拉第电磁感应定律和集肤效应, 在导体的表面会产生感应电流和涡流, 由于电流的热效应而产生热量。感应加热的基本原理与变压器类似。感应加热系统, 包括感应加热线圈、导体和电源, 说明了电磁感应原理和集肤效应。变压器最简单的形式, 副边电流与原边电流成正比, 比例系数为匝数比。当次级只有一圈而且短路时, 负载电流次级电流会显著增加, 因此会产生明显的热损耗。由于感应加热的首要目的是让负载产生尽量多的热能, 因此感应线圈与负载之间的绝缘空隙设计的应该尽可能的小, 负载磁导率尽可能大。非铁质金属因为磁导率低因而效率不高。2.2.1 电磁感应当交流电流流入线圈以后, 根据安培定则在线圈的周围产生交变磁场。当一个导体放入交变的磁场以后, 由于磁场的变化会引起磁通的变化, 根据法拉第电磁感应定律在导体的内部会产生感应电动势, 导体表面会产生感应电流（涡流）。楞次定律阐明了感应电动势的方向与磁通变化率之间的关系, 即在电磁感应过程中, 感生电流所产生的磁通总是阻碍原磁通的变化, 当磁通增加时感生电流所产生的磁通与原磁通方向相反阻碍原磁通的增大当磁通减小时感生电流所产生的磁通与原来的磁通方向相同, 阻止原磁通的减小。2.2.2 集肤效应线圈中的电流频率越高, 负载中产生的感应电流就会越强。但是电流的分布却不是均匀的, 电流的密度从表面到中心上是逐渐衰减的, 描述这个现象的物理规律是集肤效应(趋肤效应)如式（2.5）。从这个规律我们容易得出结论:由电能转换成的热能主要集中在负载的表面产生。 2.3 电路拓扑（1）硬开关电路通常来讲, 电路系统中各种各样的PWM DC-DC变换器、DC-AC逆变器、其中的半导体开关器件大多数工作在硬开关状态。在这种状态下,当器件开通和关断的时候, 电压和电流都不为零, 这样会产生开关损耗。开关频率越高, 损耗越大, 这是阻碍器件工作频率提高的障碍。器件的开关损耗可以由下面简单的公式计算出来：在电力电子器件开关过程中会产生很大的电流、电压变化率, 这样会产生很严重的EMI电磁干扰问题。通过提高开关频率可以减小变压器和滤波器的体积，这样可以做出轻巧的高能量密度的逆变器, 但是如前所述, 高频时开关损耗严重,因而工作频率不易提高。高频时高的能量转换效率通常通过控制开关时刻使电压或电流为零来得到, 这就是所谓的“ 软开关” 技术。（2）谐振软开关电路软开关可以分成两类零电压开关和零电流开关。零电压开关是指在器件刚好开通之前使器件两端的电压为零因而消除开通损耗零电流开关是指在器件刚好关断之前使流过它的电流为零因而消除关断损耗。可以通过一谐振电路使开关电路的电压或电流为零, 这种拓扑结构称作“ 谐振变换器”。因为谐振变换器可以减小开关损耗, 提高能量转换效率, 因而它在电力系统中得到了广泛的工业应用。这也是电磁炉中应用这种软开关变换器的原因。在电磁炉中通常采用的软开关电路拓扑又可以细分为两种半桥串联谐振变换器和准谐振变换器。2.4 电磁炉感应加热系统现代先进的半导体制造技术使得电力电子开关器件可以工作在越来越高的频率, 功能越来越强, 体积越来越小, 成本越来越低。感应加热系统, 曾经只是应用在航空、导弹等领域, 现在也逐渐应用到家电产品中去如电磁炉、电磁电饭煲、电磁热水器等。（1）电磁炉工作原理电磁炉的感应加热的原理已经如前所述, 具体地讲它的工作过程可以如图2.1所示。电磁炉的主电路是一个AC-DC-AC(交流-直流-交流)变换器, 由桥式整流器和电压谐振变换器构成。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20K-30KHz的交流电。图2.1 电磁炉下作原理频率为25KHZ左右的交流电流过感应线圈的时候, 根据安培定则产生同样频率的交变磁场。根据法拉第电磁感应定律和集肤效应, 在锅底的表面产生涡流,由于电流的热效应, 电能转换为热能, 使锅里的食物加热。（2）电路系统电磁炉中应用的电路系统有两种拓扑结构半桥串联谐振变换器和准谐振变换器。这两种拓扑有各自的优点和缺点。半桥串联谐振变换器的优点是开关稳定、损耗小、流水线规范设计。山于电路的电压被限制在输入电压的水平, 开关管承受的冲击较小, 因而管子损耗较小。控制电路的设计相对简单, 容易实现流水线式的规范化设计。缺点是需要两个开关管, 整个电路的工作过程变得复杂,PCB相对也要大一些, 另外驱动电路必须与系统控制电路隔离。准谐振变换器的优点是仅需一只开关管, 电路规模小, 工作过程简单, 非常重要的一点是整个系统可以共地。它的缺点是开关相对不稳定, 控制电路的设计复杂。现在的电磁炉中普遍采用准谐振变换器为主谐振电路。我们在设计的电磁炉中采用了这种准谐振变换器, 因此重点分析准谐振变换器的工作原理。使用半桥谐振变换器的电路系统有很多种设计方法。如图2.2所示, 这是一个非常简单的形式。这个系统包括交流电源、主电路、控制电路、输入电流检测电路市电（AC,220V,50HZ）经过整流后经过扼流电感和滤波电容。经过滤波后的整流电压并不是标准的直流电压, 因为流过的电流太大, 相对而言滤波电容太小，因此得到的是频率为100HZ的脉动很大的直流。然而, 电磁炉并不需要一个很大的电容而得到标准的直流, 因为整个系统的主要目的是产生热能, 况且脉动的电压有利于提高系统的功率因数。在这里滤波电容的目的是滤除高频分量防止电网的高频进入谐振电路破坏电磁炉的工作, 也防止谐振电路产生的高频对界的EMI干扰。直流电经过变换器后变成了方波, 方波促使电路发生串连谐振, 在线圈中产生高频电流, 经过电磁感应, 电能转换为热能。图2.2 平桥串联谐振变换器2.5 准谐振变换器的工作原理准谐振变换器是电磁炉主电路的核心, 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。电磁炉的负载就是它所使用的锅具, 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。因此, 在电流流通的圆环上, 高频电流流通的截面是基本固定的, 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5-15mm。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, 电磁炉的加热线圈盘与负载锅具可以看作是一个空心变压器, 次级负载具有等效的电感和电阻, 将次级的负载电阻和电感折合到初级,可以得到等效电路。其中R是次级电阻反射到初级的等效负载电阻；L是次级电感反射到初级并与初级电感L相叠加后的等效电感。第3章 智能型宽电压电磁炉功能原理与设计3.1 智能型宽电压电磁炉3.1.1 功能型设计（1）功率调节在加热状态下, 可以调节功率的档次。依次为1800W、1700W、1600W、1500W、1400W、1300W、1200W、1000W、800W、600W、400W共10档。其中800W以上的功率通过改变单片机输出PWM占空比来调节,800W 以下的功率通过固定占空比, 调节间歇加热的时间来控制。（2）保温功能在保温状态下, 电磁炉以固定的功率间歇加热, 起到保温的作用。不能改变电磁炉的输出功率。（3）温度调节定温温度分为7档, 由高至低分别为:240、220、200、180、160 、140、120。温度控制均为上、下限控制, 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。（4）快速加热按下“ 快速” 键, 电磁炉在最大火力和原来设定的工作方式之间切换。适用于需要快速切换火力的场合。（5）定时功能最高定时4小时, 倒计时显示剩余时间, 两小时内没有按键动作自动关机。（6）预约开机设定电磁炉预约开机的时间。比如, 在早上8:00上班前, 把米放入锅内,设定预约时间为9个半小时, 则在17:30电磁炉子自动开机, 晚上18:00回家,饭己经煮好了。（7）无锅检测当炉台上无锅、被加热的锅具不是铁磁质材料、或锅具的直径太小(直径小于8cm)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, 单片机输出试探脉冲, 持续30秒后(蜂鸣器响15次), 自动关机。若30秒内, 又将锅放回炉台上, 则仍以原来设定的工作方式工作, 无锅检测时间不计入定时时间。（8）报警功能在开机状态, 单片机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:A. 过压报警：当市电电压低于150V, 或超过260V时报警, 数码管显示E1B. 若IGBT温度过高或IGBT温度传感器开路则报警, 数码管显示E2。C. 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E3。D. 负荷电流过大报警：若负荷电流过大, 则报警, 数码管显示E4。E. 风扇工作异常检测报警：开机后, 延时2秒, 再检测风扇工作电压。若风扇受阻(如有异物进入卡住风扇), 或风扇电机线圈断路、短路则报警, 数码管显示E5。（9）智能型宽电压电磁炉技术指标：工作电压范围: 50/60HZ,90-250VAC；工作环境温度范围:10-40；待机消耗功率:220V条件下, 6W以下；功率调节范围:400W-1800W(220V)。（10）按键操作及显示方式电磁炉有两种显示界面数码管LED显示和真空荧光VFD显示。对于数码管显示共有“ 开/关”、“快速”、“功能” 、“-”、“+”、“定时/预约”6个操作按键、8个指示灯和3位数码管来指示电磁炉的工作状态。VFD显示有6个操作按键和一块VFD显示屏指示电磁炉的工作状态。电磁炉上电后,处于待机状态, 蜂鸣器叫一短声, 数码管无显示, 所有指示灯都不亮, 表示处于待机状态。任何有效的按键操作都会发出一声蜂鸣声。数码管显示电磁炉的操作说明如下:A.开机:按“开关”键,风扇启动,自动进入“加热” 功能, 数码管循环显示, 火力越大则速度越快。开机后默认1400W火力, 第三火力灯亮。此时按“” 、“” 键可以调整火力大小, 每按一下“” 键, 火力增加一档, 每按一下“” 键, 火力减少一档, 同时对应的火力指示灯亮。在加热功能状态下, 出于安全性设计的考虑, 如果检测到锅底温度超过允许值, 则自动停止加热, 当温度回落到允许值之下以后, 又重新开始加热。B.定温:在待机状态下, 按“开/关”键开机, 开机后电磁炉默认“加热”工作状态。然后按“ 功能” 键, 电磁炉在“ 加热” 和“ 定温” 两种工作状态之间切换。当切换到“定温” 状态时“定温”灯亮, 数码管循环显示, 温度越高则速度越快。默认最高档温度, 第五个温度灯亮, 此时按“”、“” 键可以调整定温温度大小, 每按一下“+” 键, 定温增加一档, 每按一下“-” 键, 定温减少一档,同时对应的温度指示灯亮。C.定时:开机状态下(电磁炉已经工作), 按“定时/预约” 键, 电磁炉进入定时设定状态, 数码管默认显示“001” 。此时按“+”、“-” 键, 可以调整定时时间, 调整规律如下:当定时时间小于20分钟时, 每次加减单位为1分钟, 当定时时间大于20分钟时每次加减单位为5分钟。每按一次“+”、“-” 键, 定时时间变化一次, 如长按“+”、“-” 键0.5秒后按住不放, 则定时时间连续变化,约每秒钟变化3次。在定时设定状态下:按“定时/预约” 键取消定时, 按“功能”键或“快速”键进入定时确定状态,5秒内无任何键按下则进入定时确定状态。在定时确定状态下, 按“定时/预约”键则进入定时设定状态(最多定时4小时)。D.快速:在各种功能模式下, 按下“快速”键,火力会迅速上升到最高档,数码管显示FFF, 这适用于需要快速加热的场合。E.预约:在待机状态下(接通电源, 但是没有选择功能,没有功率输出),按“定时/预约”键, 进入预约时间设定状态。此时“0”闪烁为小时设定(用“+” ,“-” , 键设定预约的小时, 最大为9小时),然后按“定时/预约”键,“00”闪烁为分钟设定,(用“+”,“-”,键设定预约的分钟, 最大为59分钟)。再按“定时/预约”键,确定预约的时间,并选择相应的预约功能。F.关机:开机状态下,按“开/关”键, 电磁炉关断加热脉冲, 输出关机脉冲, 进入待机状态。对于VFD显示界面,VFD显示板上有“煮饭”,“煲粥”,“煲汤”,“火锅”,“ 煮水”,“烧烤”,“煎”,“炒”,“炖”,“蒸”共10个状态, 4位定时数字显示,4位加热功率数字显示或者显示定温温度以及故障显示和动态显示。3.1.2 功能实现原理 (1)功率控制的含意有两个：一时功率控制的准确性,二是功率输出的稳定性。要达到功率控制准确, 需要准确测定输出功率与单片机输出占空比之间的对应关系。影响电磁炉输出功率稳定的因素有两个：市电电压的波动与锅具的变化。在设计的电磁炉中解决这两个问题是分别使用“乘法器原理”和“模糊控制”来实现。A.“乘法器原理”:单片机输出占空比不同的PWM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。保持功率稳定就是要保持电压与电流的乘积不变, 这就是恒功率控制。为了达到恒功率控制的目的, PWM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P,假设要求达到的功率为,市电电压为V, 所需的电流大小I=P/V。再由电流来确定PWM信号占空比。B.模糊控制：当电磁炉的负载（锅具）的大小,材质发生变化时,负载的等效电感和等效电阻会发生变化,这会造成电磁炉主回路谐振频率变化,这样电磁炉的输出功率会不稳定, 常会致使功率管IGBT过压损坏。针对这种情况, 我们提出了一种双闭环控制结构和模糊控制方法, 使得负载变化时保持电磁炉的输出功率稳定。实际运行结果证明了设计的有效性和可靠性。在第六章将详细讨论这种方法。（2）定温控制原理定温控制采用上、下限控制。温度传感器采用简单的热敏电阻电路,经AD转换得到温度的数字量表示。每一个设定的温度都有一个上、下限,当单片机检测到温度超过设定上限时,关断加热脉冲,停止加热随着温度的降低,单片机检测到温度低于设定的下限时, 恢复加热脉冲, 继续加热。这种控制方式思想很简单与采用继电器控制的电饭煲相似,优点是控制简单, 设计方便。但是缺点也很明显定温的精度不够准确,频繁的启动、关断加热脉冲会对IGBT造成较大的冲击。为了克服这些问题,我们采用模糊控制的原理进行定温控制,第六章详细介绍这种方法。 （3）锅具检知原理当炉台上无锅或锅具的材质,直径大小不符合要求时,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30秒后蜂鸣器响15次,自动关机。若30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,灶台无锅或者锅具直径太小、不是铁锅,负荷电流将很小,即CRU(单片机检测到的负荷电流数字量)值将很低。可通过实验测定一个无锅检测CRU电压临界值(0.8V),若当控制线打开50ms以上时,CRU电压小于此临界值,则认为是无锅,以后输出无锅检测PWM占空比,关断控制线, 每过2秒再打开控制线检测一次,若CRU电压高于临界值,则认为有锅,恢复原来的工作状态;若连续15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CRU电压的建立都需要时间,因此必须延时50ms。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(如定温温度已超过上限),应跳过无锅检测。（4）报警当开机时, 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:A.欠压、过压报警采用电阻分压的方式经A/D转换检测市电电压的变化。当市电电压低于150V, 或超过260V时报警,数码管显示E1。B.IGBT超温、IGBT传感器开路报警 IGBT上面紧贴一个热敏电阻,经单片机A/D转换检测IGBT的温度。当IGBT温度过高或IGBT温度传感器开路时报警。数码管显示E2。要注意的是当环境温度低于零下负30度时,将会误判为传感器开路报警。C.负荷电流过大报警若检测出负荷电流过大（CRU电压=4.8V）,则报警,数码管显示E4。D.风扇工作异常检测报警。开机后,延时2秒,再检测风扇工作电压。当风扇受阻（如有异物进入卡住风扇）,或风扇电机线圈断路,或匝间短路时报警,数码管显示E5。检测原理测试风扇检测电压FANI和市电电压VOL,得到下表。表3.1 市电电压与风扇检测电压对应关系表市电电压（V）市电检测电压（V）风扇检测电压（V）正常运转风扇受阻风扇开路1702.052.111.723.181802.162.251.853.381902.292.361.963.572002.412.502.083.772102.542.622.203.972202.662.772.314.172302.782.902.484.372402.913.052.604.56根据上表数据, 可以得出风扇检测基本方案：1、VOL电压-FANI电压0.2V时, 风扇受阻报警;2、FANI电压-VOL电压0.5V时，风扇开路报警。又测试VOL电压和FANI电压的一下变化过程：1、开机后风扇检测电压从开路电压降至正常运转电压所需时间大约为1秒;2、开机后风扇检测电压从开路电压降至风扇受阻电压所需时间大约为2秒;3、控制线变化而引起市电电压变化, 此时市电检测电压和风扇检测电压变几乎同步。由此可得出风扇检测扩充方案：开机后延时2秒，再检测风扇工作状况。3.2 硬件电路设计与工作原理分析3.2.1 MCU系统设计（1）单片机简介我们在设计的电路中选用台湾合泰公司的8位单片机HT46R22/HT46C22。它是8位高性能精简指令集单片机,专门为需要A/D转换的产品而设计。掩膜版本HT46C22与版本HT46R22引脚和功能完全相同。低功耗、I/O使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D转换、脉冲测量功能、I2C通信、暂停和唤醒功能,使这款单片机可以广泛应用于带传感器的A/D转换、马达控制、工业控制、消费类产品等系统中。(2)几个问题A.A/D转换:HT46R22有一个8通道9位转换器,在产品开发的过程中,发现有如下干扰现象：通道转换后的第一次AD转换有尖峰干扰,干扰的方向和幅度与该通道的模拟信号大小VAN有关,以1/2VCC为界。当VANU-,U0是高电平;t2-t3时间,U-U+,U0是低电平,t3-t4时间,U+U-,U0又是高电平。所以U0是一串开关脉冲。改变U+的高低就可以改变开关脉冲的宽度。所以称U+为直流控制电平。比如将U+升高到虚线所示的U+,则脉冲宽度变为t1-t2,t3-t4。如果将U+降低,则脉冲宽度变窄;U+降到0, 就没有脉冲输出了。脉冲宽度无论怎样变化,脉冲前沿的起点时间是不会变化的。所以脉冲频率不会改变。调节电磁炉的输出功率实际上就是通过调节开关脉冲的宽度来实现的。而调节脉冲宽度又是通过调节直流控制电平来实现的,直流控制电平的变化在控制电平形成部分详细讲到。若要使控制电路不产生开关脉冲,只需使控制电平为零电平,这在保护电路中将用到。(2)锯齿波形成图3.5 锯齿波形成电压比较器脚为VCC经过电阻R229和R226分压,脚接振荡电容,静态时,U-U+时,U0会转为低电平,于是C215通过D204迅速放电, 与