電磁爐原理及電路

1、1 引言電磁灶是應用電磁感應原理進行加熱工作的，是現(xiàn)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(diào)操作。電磁灶的功率一般在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(yōu)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(nèi)，然后在臺面上挖個洞，使灶面與櫥柜臺面成一個平面。業(yè)內(nèi)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

2、同鍋具的需要，不再對鍋具有特殊要求。本文主要介紹利用SPMC65P2404芯片來實現(xiàn)電磁爐的設計。SPMC65P2404是凌陽推出的一款工業(yè)控制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(yè)控制類、家電類產(chǎn)品的設計。使用SPMC65P2404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(tǒng)采用過流、過壓、超溫等多種保護措施； 采用開關電源，使系統(tǒng)能夠在180250V的電壓范圍內(nèi)正常工作； 系統(tǒng)設置了故障報警功能，方便故障

3、查找及檢修； 系統(tǒng)含有自檢程序，方便生產(chǎn)測試。2 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(chǎn)生磁場，磁場內(nèi)的磁力線穿過鐵鍋、不銹鋼鍋等底部時，產(chǎn)生渦流，令鍋底迅速發(fā)熱，達到加熱食品的目的。電磁爐加熱原理如圖2-1所示，灶臺臺面是一塊高強度、耐沖擊的陶瓷平板（結(jié)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(zhuǎn)換裝置及相應的控制系統(tǒng)，臺面的上面放有平底烹飪鍋。 圖 21 電磁爐加熱原理其工作過程如下：電流電壓經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉(zhuǎn)換裝置使直流電變?yōu)槌^音頻的高頻交流電，將高頻交流電加在扁

4、平空心螺旋狀的感應加熱線圈上，由此產(chǎn)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(nèi)因電磁感應就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動時完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是烹調(diào)的熱源。3 電磁爐設計要求電磁爐作為一種普遍的家用產(chǎn)品，除了要具有基本的加熱功能外，它的安全性能及穩(wěn)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、12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(shù)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(tài)

5、，受成本和器件參數(shù)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(tài)切換時產(chǎn)生瞬間沖擊、電流增大、機內(nèi)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(fā)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(wěn)定性。電磁爐應具有輸出功率自動調(diào)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；

6、4 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)采用SPMC65P2404 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(shù)碼管顯示控制，LED 控制，蜂鳴器控制，系統(tǒng)啟動控制。 圖 41 系統(tǒng)框圖4.1 功率板電路分析 圖 42 功率板電路圖4.1.1 加熱線圈工作電路 交流電220V 經(jīng)過前端濾波處理，通過整流橋，變成大約310v 左右的直流電，通過MCU控制IGBT 的導通和關閉，來控制加熱線圈的工作狀態(tài)。4.1.2 開關電源電路部分 開關電源部分采用TI 公司最新推出的集成電路VIPer12A，來

7、實現(xiàn)不同電壓的輸出，AC 接入后經(jīng)過半波整流，接到VIPer12A 的電壓輸入腳，輸出端通過穩(wěn)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。4.1.3 電壓值測量電路 AC 接入后，經(jīng)過半波整流，由R10 和R17 產(chǎn)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。&n bsp; 4.1.4 溫度測量 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(tǒng)進行溫度控制時提供參考。4.1.5 IGBT 控制電路 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

8、小后，通過整流，變成直流，連接電阻到地，系統(tǒng)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(tǒng)停止工作，并產(chǎn)生報警信號。4.2 控制板電路分析 圖 43 主控板電路圖主控板中主要由MCU，數(shù)碼管，發(fā)光二極管，按鍵，復位電路組成，數(shù)碼管采用共陽型的，發(fā)光二極管驅(qū)動方法為動態(tài)掃描，按鍵與SEG 線復用，控制COM 口，回讀SEG 數(shù)據(jù)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(tǒng)產(chǎn)生復位。5 系統(tǒng)軟件設計5.1 程序流程分析主流程采用

9、分時結(jié)構(gòu)，在每個不同的時間片進行不同的工作，時間片可以對動態(tài)掃描的LED進行定時刷新和掃描，方便程序控制。 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 51 主程序流程圖5.2 中斷子程序流程圖電流過流中斷是整個系統(tǒng)唯一的中斷，當產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)馬上停止控制信號，然后置電流過流標志，讓系統(tǒng)在其他地方檢測過流的狀態(tài)是否持續(xù)3 秒，若是，則產(chǎn)生電流過流的報警信號，系統(tǒng)停止工作。5.3  功率調(diào)節(jié)模塊系統(tǒng)需要根據(jù)外部電壓和電流的大小，來計算是否已經(jīng)達到了設定的功率值，通過比較后的功率大小關系來調(diào)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(jù)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