电磁炉知识

基于单片机的电磁炉控制系统的设计电信三班许雷方案设计: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。电源AC/DC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方案二：以AT89C51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AT89C51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。此方案的框图见下页。单片机锅体温度检测IGBT温度检测过流检测面板显示风机控制蜂鸣器驱动系统启动控制电源电路键盘扫描超压欠压检测振荡信号检测IGBT控制方案论证：方案一：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，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：方案二是采用以AT89C51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ADC0808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。主要功能：主要实现电磁炉的定时控制、温度自动控制、功率自动控制、保护功能、数码管显示控制以及无锅检测报警功能的控制。加热模式：炒、炸、煮、煎、保温，共五档。控制参数：工作电压，工作电流，IGBT工作温度，输出到器皿的温度，交流电过零，风扇，蜂鸣器，IGBT导通和截止，电源浪涌，IGBT之C端的过压，试探信号，按键检测，显示控制（共14种）IGBT：IGBT是绝缘栅双极型晶体管，简单地说在电磁炉中的作用是：功率输出控制器件。电磁炉功率控制的基本原理电磁炉的功率输出电路是一个谐振电路，谐振电路的振荡能量是由连接在此谐振电路的功率输出管Q1（IGBT）提供的，IGBT功率输出管和功率输出谐振电路的连接如图所示。功率管Q1在激励信号的控制下不断的做“开关”工作，在激励信号为“正”时；Q1饱和导通+B电压经过L、Q1流通，向C3、L组成的谐振电路提供能量，C3、L组成的谐振电路在此能量的激励下产生正弦振荡。并以电磁感应的形式在锅底形成涡流产生热量。C3、L组成的谐振电路的振荡波的幅度大，决定电磁炉加热功率的大。反之亦然。电磁炉如何控制C3、L谐振电路振荡波的幅度？在Q1导通的时间，+B经过L及Q1流通形成电流，由于电感线圈L的电磁感应原理，（愣次定律：线圈L产生的自感电势对抗外加电势引起电流的上升）电流是逐步的上升，并转换为磁能储存于线圈L中，那么Q1导通的时间短；L内部形成的电流幅度就小，线圈存储的磁能就小。Q1导通的时间长；L内部形成电流幅度就大，线圈存储的磁能就大。线圈存储磁能小转换为振荡正弦波的幅度就小；锅底的热量就小，线圈存储磁能大转换为振荡正弦波的幅度就大；锅底的热量就高。下面以图像解释：Q1激励波形的正半周宽度较“窄”，表示Q1导通时间“短”，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较小，电磁炉输出的功率就较小。Q1激励波形的正半周宽度较“宽”，表示Q1导通时间“长”，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较大，电磁炉输出的功率就较大。。综上所述：显然只要控制功率输出管Q1在一个导通周期（T）内的导通/断开的时间比（占空比）就可以达到任意控制锅底温度的目的。那么只要改变功率输出管Q1的激励信号正半周和负半周的时间比即可以达到控制输出功率大小的目的。激励信号在一个导通周期（T）中，控制Q1导通的时间（t1）大于截止时间，Q1向L提供的能量就大，C3、L谐振电路的振荡波幅度就大，输出的功率也就大；锅的热量就大。激励信号在一个导通周期（T）中，控制Q1导通的时间（t1）小于截止时间，Q1向L提供的能量就小，C3、L谐振电路的振荡波幅度就小，输出的功率也就小；锅的热量就小。下面讨论：在电磁炉电路中如何控制Q1（IGBT）的导通/断开时间比（占空比）？即如何改变功率输出管Q1的激励信号正半周和负半周的时间比。图一：电磁炉功率控制部分的原理图图二:电磁炉功率控制部分的原理图的等效电路U2A：功率控制部分。U2A的同相输入端4脚输入的是振荡器U2B的14脚送来的振荡信号，U2A的5脚反相输入端送来的是CPU提供的PWM功率控制信号；U2A的2脚输出的是功率输出管Q1(IGBT)的激励信号，这个输出的激励信号是U2B的振荡信号在U2A内部被CPU提供的直流控制电压改变了正负半周宽度比的激励信号。即U2A的5脚直流电压的改变了U2A的2脚输出方波正负半周的宽度比（占空比变化），从而达到了电磁炉输出功率控制的目的。图1中的电压比较器U2A的4脚就是输入的由电压比较器U2B的14脚输出的对称方波（占空比为1：0.5）经过C24、R13、R14、D10转换成为的锯齿波。U2A的5脚就是输入的由CPU的16脚提供的PWM控制方波并经过R15、C12（图1所示）积分滤波的直流电压（直流电压的大小由CPU提供的PWM信号的占空比决定）。在这种情况下；U2A的2脚输出的就是频率、幅度和U2B的14脚输出一样；而方波而宽度（占空比）随U2A的5脚输入的直流电位对应变化的方波，例如图1中所示U2B的14脚及U2A的4脚所示波形及U2A的2脚输出的宽度已经被变化（占空比变化）的输出波形。注：对于锯齿波的斜率取决于C24和R14的乘积（时间常数），R14选定时；如果C24的选取容量太小（电路则成为微分电路），此电路则无法形成锯齿波输出，而输出的是微分脉冲波；如果C24容量选取太大；则形成斜率极小、幅度极小的锯齿波。总之电磁炉功率的控制：如何进行功率的控制，就是如何改变U2A的2脚输出波形的宽度,也就是如何改变cpu提供的方波的占空比。补充：当电压比较器的两个输入端；一个输入端输入锯齿波电压，另一个输入端输入不同电位的直流电压的情况下，电压比较器的输出端会输出一个频率和锯齿波频率相同，而占空比会随直流电压变化的方波。正半周宽度等于负半周宽度的方波正半周宽度小于负半周宽度的方波正半周宽度大于负半周宽度的方波系统框图硬件设计1.主芯片AT89C51：AT89C51单片机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。单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。2.模数转换器ADC0808对系统精度至关重要的A/D转换换器，采用的是ADC0808，它的内部结构：ADC0808片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T形网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。转换市电V成为VOLADC，根据它和相关公式并通过控制电位器来调整占空比大小，从而实现功率的控制。3.译码器74LS138：74LS138译码器有3个输入端A、B和C，8个输出端Y0～Y7，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。作用：决定8位数码管的位选线,位选线准备用P0.1~P0.7来决定。4.电磁炉无锅检测模块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。锅在上面起到的是磁芯的作用，当你把铁锅从电磁炉上拿走，那么就相当于你把变压器中的磁芯抽走了，次级线圈上的能量就急剧下降，电流电压下降，内部电路就是通过这点来检测有锅无锅和待机的。LM339作为电压比较器；当LM339的7脚电压高于6脚时，输出一个高电平，可通过测定一个无锅检测电压临界值(0.94V)，若当系统启动50ms以上时，电压小于此临界值，则认为是无锅。5.定时控制模块：电路包括信号发生器、时间显示电路、按键电路以及指示电路等几部分。初步设想四个键K1,K2,K3,K4.K1：用来设置定时时间的小时，设置小时每按一下，时钟加一。K2：设置定时的分钟，每按一下，分钟加一。K3：定时设定确认键，设置完后按一下K3确认并退出。显示会自动从00：00开始计时。K4：定时设置，起始时间为00：00；设置首先按一下K4，然后按其他键设置定时时间。6.功率控制模块:本设计的功率控制是基于控制PWM占空比来实现的，模块主要由单片机和ADC0808组成。根据电源电压（市电压）利用相关公式并通过调节电位器的大小来实现功率控制。结合实际，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1600W、1400W、1200W、1100W、800W。控制公式：占空比=0.156×P/V-0.222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，Ptab为火力档功率查表值，VOLADC为VOL电压ADC值，PWM=128×Ptab/VOLADC－28市电电压值与ADC转换值的近似解析公式：V=VOL×220/2.66=VOLADC×79.4/51=1.557×VOLADC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：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。本设计通过调整可变电阻来改变PWM占空比，用PWM信号来控制负荷电流，从而达到控制功率的目的。7.显示模块：显示分为8位数码管显示和LED灯显示8位数码管显示：四位的定时和时间显示，四位的温度显示。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P2.0～P2.2控制，由74LS138的输出口A、B、C输入经译码器译码输出端Y0～Y7输出，然后依次输入到数码管的位选8～1口。而将其相应的段选线由P0.0～P0.7依次输入至数码管的A～DP。