SPMC65x单片机在电磁炉中的应用

1 引言

电磁灶是应用电磁感应原理进行加热工作的，是现代家庭烹饪食物的先进电子炊具。它使用起来非常方便，可用来进行煮、炸、煎、蒸、炒等各种烹调操作。特点：效率高、体积小、重量轻、噪音小、省电节能、不污染环境、安全卫生，烹饪时加热均匀、能较好地保持食物的色、香、味和营养素，是实现厨房现代化不可缺少的新型电子炊具。电磁灶的功率一般在700--1800W左右。
电磁炉按感应线圈中的电流频率分为低频和高频两大类，相比较高频电磁灶受热效率高，比较省电。

　　按样式分类，可以分以下三种。

　　台式电磁炉：分为单头和双头两种，具有摆放方便、可移动性强等优点。因为价格低较受欢迎。

　　埋入式电磁炉：是将整个电磁炉放入橱柜面内，然后在台面上挖个洞，使灶面与橱柜台面成一个平面。业内认为这种安装方法只求美观，但不科学，很大一部分消费群体把电磁炉当做火锅，埋入式炒菜并不方便。

　　嵌入式电磁炉：可适应不同锅具的需要，不再对锅具有特殊要求。

本文主要介绍利用SPMC65P2404芯片来实现电磁炉的设计。SPMC65P2404是凌阳推出的一款工业控制8位单片机，具有很高的性价比，抗干扰能力强，非常适合应用于工业控制类、家电类产品的设计。使用SPMC65P2404设计的电磁炉具有如下性能：

六种加热模式：火锅、煎炸、炒菜、烧烤、蒸煮、烧焖；
一种自动工作模式：烧水；
720分钟的定时开机功能；
2小时自动关机保护功能；
小物件检测功能，对不合适的物件不进行加热；
系统采用过流、过压、超温等多种保护措施；
采用开关电源，使系统能够在180~250V的电压范围内正常工作；
系统设置了故障报警功能，方便故障查找及检修；
系统含有自检程序，方便生产测试。

2芯片特性简介

SPMC65P2404是凌阳推出的8位工业控制单片机，工作频率为8MHz，工作电压2.5V~5V，有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM，有23个可编程IO口，内置上/下拉电阻，8通道10位A/D转换器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌阳科技8位单片机
☉182条指令
☉11种寻址模式
☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆2个8位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
☉普通的定时/计数器
☉具有8位捕获功能
☉具有8位比较功能
◆2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
☉普通的定时/计数器
☉具有8或16位捕获功能
☉具有16位比较功能
☉12位PWM输出
◆中断方式
☉支持IRQ和NMI中断
☉4种外部中断
☉11种内部中断
◆5种复位功能：上电复位、低电压复位、看门狗复位、外部复位及错误地址复位
◆支持3种时钟电路：晶体振荡器、RC振荡、外部信号
◆2种低功耗模式：Halt模式和Stop模式
◆低电压监测(LVD)功能
◆一个蜂鸣器驱动输出口
◆具有SPI总线
利用SPMC65P2404的这些资源，能够份方便的实现电磁炉的功能。

3电磁炉加热原理

电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的。电磁炉的炉面是耐热陶瓷板，交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场，磁场内的磁力线穿过铁锅、不锈钢锅等底部时，产生涡流，令锅底迅速发热，达到加热食品的目的。

电磁炉加热原理如图3-1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。

4电磁炉设计要求

电磁炉作为一种普遍的家用产品，除了要具有基本的加热功能外，它的安全性能及稳定性能是设计的关键。

电磁炉设有多种保护装置，包括小物件检测、过热自动停机保护、过压或欠压自动停机保护、空烧自动停止加热保护、2小时断电保护、1～2分钟自动停机保护以及声光报警显示等。

综合起来，电磁炉可由下述技术特性参数考核：

（1）自身保护特性。输出开关管是电磁炉的关键元件，工作于高电压、大功率状态，受成本和器件参数限制，设计时不可能有很大的富裕量，故在工作过程中，若电源电压过高、工作状态切换时产生瞬间冲击、电流增大、机内温升过高、铁锅挪离灶板或空载，开关管都可能损坏。因此，应保证过压、过流、过温、锅检测等保护装置正常；

（2）锅底温度控制特征。锅底发热直接传至灶板（陶瓷玻璃），灶板是导热材料，故一般都将热敏元件安装在灶板底部，探测锅底的温度；

（3）功率稳定性。电磁炉应具有输出功率自动调整功能，以改善电源适应性和负载适应性；

（4）电磁兼容性。该性能涉及对其余家电的干扰和对人体的危害。电磁炉均在电源回路中设有LC滤波电路并用金属围框吸收漏磁通，同时采用脉冲方式，使平均辐射功率控制在限度；

在实现以上电磁炉的性能规格的基础上，我们设计的电磁炉还具有以下的功能规格：

手动控制火力，从300W~1600W 的范围，共分为14 档火力，每档均有稳定的功率；

手动定温选择，从70 ~240℃的范围，共分为6 档定温选择，每档都能达到定温；

自动烹调功能，内部自带1 自动烹调功能：烧水。

6 种自选功能：火锅，炒菜，蒸煮，炖焖，煎炸，烧烤，其中火锅，炒菜可以调节不同的火力档位；蒸煮，炖焖，煎炸，烧烤4 种功能可以选择不同的温度。

可以实现1~720 分钟预约开机功能，1~180 分钟的定时关机功能。

系统提供2 小时自动关机的保护功能。

5 系统硬件设计

系统采用SPMC65P2404 作为主控MCU，主要模式有：键盘扫描，锅体温度检测，IGBT
温度检测，电流过流检测，超压欠压检测，振荡信号检测，风扇控制，数码管显示控制，LED 控制，蜂鸣器控制，系统启动控制。

5.1 功率板电路分析

5.1.1 加热线圈工作电路

交流电220V 经过前端滤波处理，通过整流桥，变成大约310v 左右的直流电，通过MCU控制IGBT 的导通和关闭，来控制加热线圈的工作状态。

5.1.2开关电源电路部分

开关电源部分采用TI 公司推出的集成电路VIPer12A，来实现不同电压的输出，AC 接入后经过半波整流，接到VIPer12A 的电压输入脚，输出端通过稳压变压的方式来得到18V 和5V 直流电，为IC 和其他外围元件提供电源。

5.1.3 电压值测量电路

AC 接入后，经过半波整流，由R10 和R17 产生分压，对电路的电压进行比例式测量，以判断电路电压是否超过或者不足。

5.1.4 温度测量

通过两个热敏电阻分别来测试IGBT 和瓷砖底面的温度，以此来保护IGBT，和对系统进行温度控制时提供参考。

5.1.5 IGBT 控制电路

电路中包含有电流检测部分，通过电流互感器将总回路的电流按比较缩小后，通过整流，变成直流，连接电阻到地，系统通过检查电阻端的电压来判断回路的电流大小。同时回路电流若超过一定值后，通过另一端的保护信号反馈到IGBT 的控制端，将控制信号拉低，使IGBT 停止工作，同时送到MCU，让系统停止工作，并产生报警信号。

5.2 控制板电路分析

主控板中主要由MCU，数码管，发光二极管，按键，复位电路组成，数码管采用共阳型的，发光二极管驱动方法为动态扫描，按键与SEG 线复用，控制COM 口，回读SEG 数据的I/O 来扫描按键。复位电路为低电压复位电路，当电压低于2.6V 时，系统产生复位。

6 系统软件设计
主流程采用分时结构，在每个不同的时间片进行不同的工作，时间片可以对动态扫描的LED进行定时刷新和扫描，方便程序控制。

工作时采用时间轮循的方式，能有效的利用时间资源。过程中主要通过标志的方式将信息传递到其他模块。

6.2 中断子程序流程图

电流过流中断是整个系统的中断，当产生中断时，系统马上停止控制信号，然后置电流过流标志，让系统在其他地方检测过流的状态是否持续3 秒，若是，则产生电流过流的报警信号，系统停止工作。

6.3 功率调节模块

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，通过比较后的功率大小关系来调整PWM 值，以输出比较恒定的功率。

假设外部电压为V1，
MCU 检测到的电压值V2，根据电路计算得：
V2=5.1*V1/（330+5.1）
得到的A/D 值DATA 为：
DATA=V2*256/5
外部电流和MCU 通过转换的电压的测试值的关系为：
外部电流值/转换后的电压=2.4
根据上述关系来换算功率值的大小：
P=V*I=0.06*AD（V）*AD（I）
推出：AD（I）=100*P/（6*AD（V））
确定AD（I）后，再通过调整PWM 值，以使AD（I）达到计算的值。

6.4 系统资源分配

7 结语
电磁炉的优势首先表现在它的热效率极高。作为倡导"绿色厨房文化"的高科技产品，电磁炉的应用原理是电流通过线圈产生磁场，磁场内的磁力线通过含铁物质（铁锅、不锈钢锅、搪瓷锅等）的底部时，促使铁分子高速运动，产生无数小涡流，因此热效率高。

卫生、清洁，环保是电磁炉的另一个优越性，铁物质利用磁场感应加热，不释放任何物质，无火、无烟、无味，也不升高室温，真正实现了清洁房间，保护环境。

基于以上优点，电磁炉在家庭生活中得到越来越广泛的应用，现在许多家庭都在使用电磁炉作为他们的必备炊具之一，而且市场的容量还在不断壮大。

SPMC65P2404芯片非常适合设计电磁炉产品。它具有的丰富资源能够设计出一款功能丰富、使用简易方便的电磁炉产品。而SPMC65P2404具备很强的抗干扰能力，使得设计出的产品具有很高的稳定性和安全性。

参考文献


[1]. VIPer12A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/VIPer12A_693114.html.
[2]. R10  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/R10+_1193166.html.
[3]. COM  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM+_1118194.html.
[4 肖健华, 经顺林. 模糊控制在家电产品中的应用与展望. 五邑大学学报(自然科学版),2001
[5 张 超, 孙志锋, 金高先. 电磁炉主谐振电路研究与功率控制. 电源技术应用, 2004.