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电磁炉的设计与实现专 业： 通信工程 班 级： 13通信2 姓 名： 学 号： 指导教师： 电气信息工程学院 2016 年 5 月电磁炉的设计与实现摘 要电磁炉是目前发展最快的，市场增长幅度最高的家电产品之一。开发的电磁炉具有成本低、界面多、功能齐全等优点，有一定的市场竞争力。本文基于感应加热原理，设计开发了电磁炉的控制系统，完成了电磁炉控制系统的硬件和软件设计，本文主要研究内容如下:电磁炉的发展过程、工作原理、功能实现原理、硬件电路设计原理以及单片机程序的结构等。硬件电路主要包括主回路、控制电路、保护电路、电源电路和显示电路等单元回路。电磁炉实现的功能:加热功能、定温功能、定时功能、无锅检测功能、报警功能，具体包括过热报警、过压或者欠压报警、风扇失效报警等。显示界面是数码管显示界面。单片机的使用让电磁炉实现了智能化，主要包括提供良好的人机界面、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等。该系统覆盖了电、机、磁等众多的知识。单片机程序结构分主程序和定时器中断服务程序两个部分，经过反复试验运行，程序运行稳定可靠。关键词:电磁炉 电磁感应 CKM001 拓扑结构2第一章 绪论1.1课题研究背景在半个世纪以前，德国人利用电磁感应原理发明电磁炉。从此，电磁炉开始走进人们的生活。目前，在西方发达国家，电磁炉的使用率比较高，基本上达到80%左右。现在由于人们生活水平的提高，厨房电气化程度越来越高，电磁炉在我国也逐渐地进入千家万户。与其他传统的加热厨房用具相比，电磁炉作为高科技的产品，具有许多的优点。它既环保又节能，被人们称为“绿色炉具”。一般说来，电磁炉具备以下四个方面的优点：(1) 安全卫生使用电磁炉烹调时，无热、无辐射、无烟、无明气、无烟尘排放，十分有利于净化空气和环境保护1。同时，使用电磁炉也有利于减少火灾的发生。这是因为基于电磁感应的原理，电磁炉自身是不会发热的，只有使用铁质的锅底才能产生热量，所以假若在使用电磁炉做饭的过程中，手指不小心的碰到电磁炉，也不会有灼伤的危险。(2) 体积小、重量轻、使用方便电磁炉是全封闭的结构，外面只有一只电源线。使用电磁炉没有场合的限制，只需要把电源线插到220V的插座上即可使用。电磁炉的用户界面上有相应的开关键和指示灯，操作比较简单，而且电磁炉内部有许多附加的保护电路，任何人都可轻松使用它。(3) 加热的温度可以随意调节一般地说，电磁炉的输入功率在200-2000W之间。与其他单一功率的厨房用具相比，可以依据煎、炒、炸、蒸、煮等选择合适的功率，并且功率调节非常简单。(4) 热效率比较高且升温比较快电磁炉是通过高频电流经过线圈产生变化的磁场，而变化的磁场在铁质的锅底产生感应电流(涡流)，涡流产生大量的热量使铁质锅底快速发热。在这个过程中，不存在热量的损耗。一般的煤气炉的热效率为40，电炉为52而电磁炉为高达832。有人根据现在的用电价格与煤气的价格做过计算，使用电磁炉比用液化气节省近三分之一。近年来，国内对电磁炉的需求量十分大。它已成为中国市场上比较受欢迎的小家电产品之一。随着环保意识和节能概念深入人心，电磁炉这种既环保又节能的厨房烹饪用具的市场潜力是巨大的。电磁炉正处于成长期。粗略地统计，目前国内有1000多家厂家把电磁炉作为自己企业的重点发展方向，投入大量的资金开发更智能化的，功能更加齐全的电磁炉。1.2电磁炉的发展与趋势早在1957年德国NEFF公司开始把电磁炉转为民用。而后，在上世纪70年代美国也进行电磁炉的开发。到了上世纪的80年代，在西方发达国家电磁炉的使用率在70%左右。而到了上世纪80年代末，电磁炉才开始进入国内市场。虽然电磁炉在90年代初曾经经历过一阵猛烈的旋风，但是由于很多厂家急功近利，急于开发市场，而忽略了电磁炉的技术开发，片面以价格争夺市场，导致电磁炉的质量不稳定，频繁地招到消费者的投诉，终于在热了一阵后走了下坡路4。直到上世末期，由于技术的进步，众多的家用电器的诞生，使电磁炉再次有了新的生机。就目前而言，我国的电磁炉市场比西方的发达国家至少晚了10年的时间3。.1.3 本课题的主要内容本文设计的电磁炉是民用的小功率的厨房电气设备。主要内如下： (1)简单介绍了研究电磁炉的背景，描述了国内电磁炉的发展的历史和现状，提出了电磁炉发展趋势。(2) 感应加热是利用电磁感应的原理使电能转变成热能。电磁炉就是基于这个原理设计的。电磁炉加热的原理：当线圈中通过高频电流时，线圈周围产生高频交变磁场，在高频交变磁场的作用下，铁质锅底中产生强大的涡流，锅底迅速释放出大量的热量，达到加热目的。(3)简单介绍了电磁炉的可能出现的主要的故障和平时使用注意事项。第二章 电磁炉感应加热原理2.1概述1831年，法拉第发现电磁感应现象，内容为：当一个回路中的电流变化时，它附近的另外一个闭合回路中就会有感应电流产生。感应加热是法拉第电磁感应定律的具体应用。感应加热在工业生产中得到了广泛的应用，例如涡流冶炼、淬火、焊接等等。在这些应用中，可以非常方便地设定加热参数，控制加热效果。感应加热有很多优点：由于被加热物体和加热设备之间根本没有电气接触，所以避免了许多电气事故的发生；在很短的时间内可以产生足够大的能量，因而可以得到很高的能量密度。而如今，人们对高品质、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、电磁热水器等等以其安全、高效、快速、清洁、环保、节能等众多优点吸引了广大的消费者。2.2感应加热基本工作原理627感应加热是利用电磁感应的原理使电能转变成热能。感应加热的过程可简单地描述为：根据安培定则，线圈中通过交变电流时周围会产生交变的磁场，当一个导体放入这个交变的磁场中时，根据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（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。在一个金属导体外面套上一个匝数为N1的线圈，如图2-1所示，当交变电流通入感应线圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势。图2-1 感应加热原理2.3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，功能越来越强大，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。2.3.1电磁炉的加热原理电磁炉是利用电磁感应原理将电能转换为热能的工作原理。由整流电路将50/60Hz的交流电压转换成直流电压（AC-DC-AC、交流-直流-交流），再经过控制电路将直流电压转换成频率为2035KHz的高频电压，高速变化的电流流过线圈产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿底部金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热器皿内的东西，达到用户使用的结果6。图2-2电磁感应加热的基本过程图2-2是电磁感应加热的基本过程，至少需要整流单元、功率开关管、功率开关管驱动控制单元、加热线圈单元及锅具等部件。电磁炉是运用高频电磁感应原理加热。它将市电整流滤波后得到的脉动直流转换为高频电流，通过加热线圈建立高频磁场，磁力线经线圈与金属器皿底部构成的磁回路穿透炉面作用于锅底，利用小电阻大电流的短路热效应产生热量，在锅底形成涡流而发热，起到加热器皿中的食物的作用。一般来讲,器皿一般是用钢质、铁质材料来加热，铝、铜由于表面电阻率太小，而不易被加热，陶瓷、木等又由于表面电阻率太大，使产生电流太小，所以也不易被加热。2.3.2电磁炉主电路拓扑结构168电磁炉的主电路如图2-3所示，市电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2035kHz的交流电。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型（ZVS）变换器，功率开关管的开关动作由单片机控制，并通过驱动电路完成。图2-3 电磁炉的主电路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，可以得到图2-4所示的等效电路。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。图2-4 电磁炉主电路等效电路第三章 电磁炉的设计方案3.1电磁炉的功能要求电磁炉实现的功能要求如下:电磁炉上电时，蜂鸣器响一声，进入关机状态。关机状态下，没有任何显示，没有加热的脉冲，也没有任何检测、报警功能。此时按下开/关键，可以开机，要求实现以下具体功能。(1)加热功能加热火力分为6档，由低到高分别为: 保温、煎、煮、炸、炒。不同火力的档位，输出的功率是不同的。对应的功率分别设为2000W，1800W，1500W，1200W，900W,间歇。其中间歇档为断续加热，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。(2)定温功能定温温度有6档，由高到氏分别为240C，210C ，180C ，140C，100C，60C。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。(2)定时功能最高定时时间为120分钟。开机后定时时间为120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。(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。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。(5)报警功能当开机时，微电脑不断的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，低位显示报警弓t，持续5秒后自动关机。报警号如下:1、欠压、过压报警当市电电压低于170V，或超过260V时报警，数码管显示El。2、IGBT超温、IGBT传感器开路报警IGBT温度过高或IGBT温度传感器开路报警。数码管显示EZ。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。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E3。开机后，将延时一段时间，再进行锅底温度传感器断路检测。延时时间将据开机时的环境温度(用IGBT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E4。5、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(如有异物进入长住风扇)，或风扇电机线圈断路，或匝间短路时报警，数码管显示ES。3.2电磁炉的按键和界面要求按照委托开发厂家海尔的要求，界面是LED数码管显示的。操作面板如3-1所示。图3-1 操作面板Fig.3-1 Operation Panel按键说明如下：(1)本机具有 “开关”、“火锅” 、“定温” 、“童锁”、“定时”5个按键和调大、调小用的指滑条。在图3-1中，从左至右按键为“定温”“定时”“滑动”“火力”“开关”“童锁”。(2)开/关”键：用来开机、关机。(3)调节滑条：用于档位的调整，向右滑动增加档位，向左滑动时减小档位，共6个档位；也用于定时时间的调节，向右滑动时，0-59增加循环调节分钟，向左滑动时，0-3增加循环调节小时。(4)功能键：在待机状态按下“火力”键，火力功能灯亮，进入火力工作状态；在待机状态按下“定温”键，定温功能灯亮，进入定温工作状态；“火力”“定温”功能下可相互切换。(5)童锁键：在非关机状态下按“童锁”键，童锁功能灯亮，进入童锁状态；在童锁状态按下只响应开关键和童锁键，其中开关键短按即可响应，童锁键需长按3S解锁。(6)定时键：在“火力“或“定温”状态下按“定时”键，定时功能灯亮，进入定时设定状态；基本状态说明如下：(1)上电状态：插上电源，蜂鸣器响一长声（约1 S），所有LED灯全亮（约1 S），然后进入关机状态。(2)关机状态： “开关”灯闪烁（1Hz），数码管灭，其它LED灯熄灭。(3)待机状态：“开关”灯亮，数码管显示“-”，其它LED灯熄灭。(3)定温功能：在待机状态下，按下“定温”键，蜂鸣器响一声，进入定温功能；定温指示灯长亮，默认定温为第4档，数码管显示 “180C ”，档位LED显示对应火力档 位（火力档位LED共有18个灯，三个灯为一组，共6组，对应6档火力）。在定温状态下，按滑动键可进行6档温度调节，最小可调到1档，最大可调到6档。在定温状态下按“开/关”可以关机。在定温状态下无按键操作时，2小时自动关机进入关机状态。表3-1温度表Table 3-1 档位123456数码管显示60100140180210240对应功率W9009001200150018002000(4)火力功能：在待机状态下，按下“火力”键，蜂鸣器响一声，进入火力功能；火力指示灯长亮，默认火力为第6档，数码管显示 “6 ” ，档位LED显示对应火力档 位。在火力状态下，按滑动键可进行6档火力调节，最小可调到1档，最大可调到6档.在火力状态下按“开/关”可以关机。在火力状态下无按键操作时，2小时自动关机进入关机状态。表3-2功率表档位123456数码管显示123456功率范围W间歇9001200150018002000(5)定时功能：在“火力”“定温”功能时，按“定时”键，数码管闪烁显示定时时间，默认显示定时时间为“00：00”,操作指滑键向右滑动时，调节分钟循环加5，范围为“00-59”；操作指滑键向左滑动时，调节小时循环加，范围为“00-03”。当定时时间设定为“00：00”时，闪烁10S后，取消定时，回到默认功能时间2小时。其它定时间闪烁10S后确认，显示定时时间倒计时，定时时间到后关机。3.3设计方案电磁炉控制系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分是实现电磁炉上述功能的基础，可以说是电磁炉的“肢体”;软件部分则是完成电磁炉上述功能的关键，是设计的关键部分，也可以说是“灵魂。良好的软件设计可以最大限度的发挥硬件资源的优势。所以，电磁炉控制系统的设计既要有合理的硬件资源，还要有一套可靠的软件系统作为支持。3.3.1硬件设计电磁炉主要是利用电磁感应原理，电流经过线盘产生变化磁场，磁场感应到炉面上的铁质锅具底部产生涡流，从而产生大量的热能，直接令锅具底部迅速发热，进而加热锅内食物。电磁炉的感应加热原理如前所述，电磁炉硬件部分主要包括以下几个方面:1)：整流部分(AC-DC)，包括三相不可控整流桥、LC滤波电路、电压电流检测电路等。2)：逆变部分（DC-AC)，包括大功率开关器件IGBT、IGBT的隔离驱动及过压过流保护电路、缓冲电路等。3)：谐振槽路及负载电路部分，包括加热线圈盘、锅具等。4)：控制电路及保护电路电路，包括信号调理电路、温度检测电路、电源电路、档位输入电路、显示及故障报警电路、过温、过压、过流保护电路等。电磁炉的硬件组成框图如图3-2示。详细的硬件设计将在第四章介绍。图3-2电磁炉硬件构成框图Fig.3-2 Induction hardware structure diagram3.3.2软件设计电磁炉的软件部分采用模块化程序设计思想。通过对电磁炉的各个功能进行划分，每个程序模块完成相应特定的功能。最后，将所有功能模块连接在一起，完成整个控制系统程序的设计28。电磁炉的程序应分为两大部分：主程序和定时器中断服务程序。主程序是电磁炉控制系统的总体程序，它负责整个控制系统中各个模块程序的协调运行，是电磁炉控制系统的核心程序。主程序是循环执行的，主要实现那些需要实时处理的功能，如功率控制、定温控制、无锅检测和报警等。定时器中断服务程序是定时执行的，主要是为主程序服务的，包括提供良好的人机界面，为主程序提供状态转换及定时数据，以及实现各种需要计时、定时控制的功能等等。为了使程序运行稳定可靠，主程序与定时中断服务程序应遵循如下原则：(1) 主程序与定时中断服务程序可以双向传送数据。但定时中断服务程序提供数据给主程序，是为了协助主程序实现电磁炉的某些功能。如程序在中断中检测到开机键按下，传递至主程序，主程序就进行开机处理;主程序提供数据给后台，是辅助性的，是为了更好地帮助自已实现电磁炉的功能服务的。(2) 由于中断可能发生在主程序的任何地方，定时中断服务程序为主程序提供的数据随时会改变，因此在一次主程序循环中，此数据最好只使用一次。(3) 在中断服务程序中，也可以单独实现一些需要周期性控制的功能。例如定时时钟。第四章 电磁炉硬件电路设计4.1 交流电输入部分市电220V经接插件L1、N1接入电路。电路开始通电。由于电磁炉工作电流较大，接插件N1、L1和保险管两端引脚焊接必须牢固，目的是避免接触不良。电磁炉的保险丝是个保护装置，在更换的过程中要选用同型号的更换。（过小电流不够过、易熔断。过大保护失去作用）。所以16A/250V的保险丝不能随意改动或代换（更不能直接短路）。RZ1是压敏电阻，作用是为了防止市电输入电压过高而损坏电磁炉，其外型像瓷片电容（蓝色）。压敏电阻标注一般为10D561K或10D471K，其最大允许使用电压为300V（AC），当电压超出其范围时，就会被炸裂。在维修过程中，更换时，要选合适的型号对号入座。L1、N1之间有电容C1，该电容既能防止电磁炉工作产生的高频干扰脉冲窜入市电网干扰其他电器，又防止市电网的干扰脉冲窜入电磁炉电路影响其工作。该电容的容量通常为2uF5 uF。如图4-1所示。图4-1 交流输入电路 Fig.4-1 AC input circuit4.2大电流整流滤波输出部分220V的交流电引入后，需要经过整流桥进行整流。如图4-2所示。BG1是个大电流高耐压器件，其规格为20A800V。当其烧坏后，不能随意用其它整流器代替。一定要用同型号或比它更大电流高耐压的整流器（外观、管脚、接口相同）替换。图4-2 高压整流滤波电路Fig.4-2 High-voltag rectifier filter circuitL1扼流圈、C4电容组成倒L型滤波电路7。作用是把整流出来的直流脉动成分滤去，使输出波形更加平滑。当C4、8uF/400V（DC）电容击穿短路时，保险丝会烧断，整流器也会因电流过大而烧坏。此电容容量变值时（变小），直流输出300V电压会明显下降，当C4没有容量时，也会导致烧IGBT，维修时要特别注意。4.3线盘高频振荡电路在电磁炉电路中，开关管扮演着非常重要的角色。当开关管导通时，+300V经加热线圈、开关管以大电流给加热线圈充电，电能转化为加热线圈中的电磁能。经测试，此时加在开关管上的电压约为十250V，工作电流在20A40A之间。如此大的工作电流，选择合适的开关管才能安全稳定地工作。一般说来普通的MOS场效应管，虽然仅需微弱的驱动电压即可工作，但工作在高电压和大电流状态时，因内阻较大，管子发热快，难以长时间工作；大功率达林顿管虽然可以在高电压、大电流状态下长时间工作，但需要较大的驱动电流。将场效应管与大功率达林顿管有机地结合的IGBT管，将场效应管作为推动管，大功率大功率管作为输出管,在高电压、大电流状态下长期安全工作，并表现出极好的开关特性，输出功率可达1000W以上。因此电磁炉的开关选用IGBT管。图4-3 是电磁炉高频振荡电路CN3、CN4（接上线盘）与C5、IGBT1组成一个高频振荡电路（振荡频率一般为20KHz 40KHz之间）。高频交变电流是由线盘的电感量，与高频谐振电容的容量决定的。因此线盘的电感量和电容的容量要根据功率来确定。当IGBT击穿后，要对其进行检测，C5容量变值都会导致IGBT烧坏（特别是电容短路）。IGBT是电磁炉的核心部件，采用西门子公司公司H20R1202（型号），其击穿烧坏后维修一定要用同样的型号更换（因为参数、温升有些不同,可能会第二次出现故障）。R6是下拉电阻，DW1为限幅稳压管（二极管）作用是把驱动输入限制在0V18V之间。维修时，当IGBT击穿烧坏，也要对其进行检测，正常后才可以更换IGBT。R7为限流电阻.。图4-3高频振荡电路 Fig.4-3 High-frequency oscillator circuit4.4电源电路22电磁炉的风扇、IGBT的驱动电路、集成电路想要正常的工作就需要有一定的直流电压提供能量。如图4-4所示。图4-4 直流电源电路 Fig.4-4 DC power supply circuit市电（交流220V）经D1、D2整流。D6二次整流E1滤波后出来300V左右的高压进入U2的5、6、7、8脚。当E2两端电压达到14.5V时（此电容是谐振电容），U2芯片开始工作，场效应管进入开关状态（场效应在芯片内部）。电路的稳压由U2的3脚（反馈输入）内接的控制电路与外接的稳压管DW2完成。C12是用于提高整流性能，以防高频干扰。U2的1、2脚输出19.5V的电压（此电压有高频脉动成分）。经过高频变压器的初级绕组后（为+5V准备），L3、E5组成倒L型滤波电路（高频脉动成分滤去）输出相对平滑的直流电，为风机供电。再由R13降压E4、C10电容滤波输出+18V比较平滑的直流电。为IGBT驱动供电。D8为钳位二极管，把电位钳制在0V以上。D7为保护二极管。R22为限流电阻。由于变压器初级有高频脉动成分，次级耦合也有高频脉动成分。经D11半波整流E3滤波出来8.5V的直流电压。进入U3三端稳压集成输入端。三端稳压集成内部结构（略）。在输出端得到一个+5V的电压。经E6、C11滤波后为主芯片、保护电路、控制板供电。4.5 IGBT驱动电路26图4-5 IGBT驱动电路 Fig.4-5 IGBT drive circuit驱动电路有两个任务：一是对开关脉冲进行激励放大，充分激励IGBT使之处于良好的导通状态；而是为IGBT关断提供反偏电压，使IGBT能够可靠的关断。如图4-5所示，在电路工作时（接上线盘）IC1的第3管脚发出一个脉冲信号控制Q4（在这里当数字电路中的开关作用）。Q4导通（短暂）输出低电平，来控制Q2。Q2基极因是低电平而截止，在集电极输出高电平，来控制Q1、Q3。Q1基极高电平，所以导通，18V通过了三极管进入IGBT的G脚（控制脚）。Q3因为是PNP型三极管，导通与截止跟NPN型相反。所以Q3基极虽然是高电平。其输出还是高电平。因IGBT的G极（控制极）有信号输入，开始导通（但很快就截止了。因为是脉冲信号，输入很快变为低电平了）。在线盘与C5之间产生了阻尼振荡。经同步电路分压后，又有一个信号（称为检锅信号）经C30电容（因电容通高频阻低频特性）进入Q2的基极。反复以上步骤。D5、D9是钳位二极管。R8、R9上拉电阻。R41为下拉电阻。4.6控制电路4.6.1同步电路电磁炉工作时，IGBT快速交替地工作在截止与导通状态之间。设定不同的火力时，IGBT的截止与导通时间比例不同。在IGBT导通时，线盘中感应电动势的极性为CN3“”CN4“”。由于电感线圈中的电流不能突变，流过IGBT的C、E极间电流逐渐增大。当电流增大至某一值时IGBT立即截止，以避免大电流击穿IGBT。当IGBT截止时，线盘中的感应电动势极性立即变为CN3“”CN4 “”，线盘经C5充电，接着C5对线盘放电。线盘与C5电容产生阻尼谐振，电磁能迅速转化为热能。加在IGBT的C、E极上的电压非常高，在这个期间，要确保IGBT可靠截止。否则，高电压形成的大电流必将损坏IGBT。按以上的情况，要使IGBT工作状态与线盘的状态保持协调，也就是说要IGBT导通与截止，跟线盘状态保持一致。那么，就要设计一种电路来完成这种任务，这种电路就是同步控制电路。如图4-7所示。IGBT导通时，线盘两端电压极性CN3“”CN4 “”正电位（正电压）。R3、R19、R17、R14分压后得3.0V电压到IC1的第19管脚，负电压经R4、R5、R32、R37、R15、R16、R24分压后得2.85V电压到IC1的第20管脚（以上是线盘没有工作情况下电压）。当IGBT烧坏或没有功率输出情况下，R3、R19、R17、R14 、R4、R5、R32、R37、R15、R16、R24都要进行检测，查看是否开路或变值。R18再分个电压1.03V出来进入IC1的第18管脚。用来检知线盘工作时的峰值。C8为滤波电容。图4-6同步电路Fig.4-6 Synchronization circuit4.6.2风扇的驱动电路CPU控制FAN端口输出高电平，使Q5三极管导通，18V电压加在风扇两端经过Q5到地，使风扇运转，当FAN输出低电平时，Q5截止，风扇停止工作。如图4-7所示。它的作用是排出炉内热气：将IGBT及整流桥紧贴在散热片上，利用风扇运转，通过电磁炉外壳上的进、出风口形成的气流将散热片上的热及线盘等零件工作时所产生的热，加热锅具辐射进电磁炉内的热、以及其它器件所散出的热排出炉外。降低炉内的环境温度，以稳定电磁炉正常工作。CPU根据程序判断发出控制命令。(1) 结合炉面传感器与IGBT传感器取到的AD值，控制风扇工作。(2) 判断是否开机，风扇长转。(3) 判断是否有特殊要求控制风扇工作图4-7 风扇驱动电路 Fig.4-7 Fan drive circuit4.7保护电路4.7.1电源电压检知电路市电（交流220V）经D1、D2整流后由R29、R26、R10、R12分压得到一个电压进入IC1的11脚ADC1进行检知。当电压变化（大于270V或低于140V）时，IC1就会关闭PWM，显示故障。起到保护元器件的作用。如图4-8所示。图4-8电源电压检知电路 Fig.4-8 Power supply voltage detection circuit4.7.2电流检知电路市电（交流220V）经过桥式整流电路，在经过LC电路滤波，经过小电阻RK1(15欧)引出大电流，经过R2,VR1,R40,R44,R43分得电流进入IC1的16脚ADC0进行检知。当电流变化过低或过高时，IC1就会关闭PWM，显示故障。起到保护元器件的作用。如图4-9所示。图4-9 电流检知电路 Fig.4-9 Current detection circuit4.7.3炉面温度与IGBT温度检知电路炉面传感器：炉面加热锅具的温度透过微晶玻璃板传至紧贴在微晶玻璃板底部的传感器，该传感器的阻值变化直接反映了锅具温度的变化，传感器与R27电阻分压电压的变化反映了传感器的阻值变化，就反映出加热锅具的温度变化。如图4-10右侧所示。CPU通过检测ADC6路值的变化作出如下的指令控制：(1) 定温控制，控制加热温度点，恒定加热物体温度恒定在设定的温度范围内。(2) 自动功能及火锅控制，利用探测温度及结合时间，控制锅具内部的温度，达到最佳的烹煮效果。(3) 自动功能工作时，锅具温度是否高过设定温度，立即停止工作，并关机。(4) 锅具干烧时，立即停止工作，并关机。(5)传感器开路或短路时，开机后发出不工作信号（开路需要1分钟后再判断），并报知故障信息。IGBT热敏电阻：该热敏电阻放在紧贴着IGBT的正面。用导热硅脂涂在它们之间，并压在PCB板上，IGBT产生的温度直接传到了热敏电阻上，热敏电阻与R28电阻分压点的变化反映了热敏电阻的阻值变化。直接反映出IGBT的温度变化。图4-10左侧所示。CPU通过检测ADC7路值的变化作出如下指令控制: (1) 当探测到IGBT结温85时，根据当前工作情况，升功率或降功率，或间隙加热方式，让IGBT结温85。如果在不正常情况下温升还继续升高，高于110，则立即停止加热，并报知信息或不报知信息，而是每4S检测一下锅具。待温升下降到60又再次加热，循环工作。(2) 热敏电阻开路或短路时，开机后发出不工作信号，（开路需要1分钟后再判断），并报知故障信息。(3) 在关机状态下，如果IGBT温升高于55，CPU则控制风扇一直工作，直到温度小于45后停止工作。第一次上电时不作判断处理。图4-10炉面温度与IGBT温度检知电路Fig.4-10 Furnace surface temperature and the IGBT temperature detection circuit 4.8显示板图4-11 按键输入电路 Fig.4-11 Key input circuit74HC165是一个8位并行输入串行输出的移位寄存器。当引脚1 ()是低电平时，外部的开关状态通过IC1存入寄存器中。当引脚1 ()是高电平时，寄存器把这些数据移出送到单片机的PC3口。如图4-11所示。图4-12 数码显示电路 Fig.4-12 Digital display circuitTM1618 是一种带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。本文引用于LED的驱动。单片机将显示的数据通过TM1618的1引脚DIO在时钟上升沿输入串行数据，从低位开始。SEG1-SEG8用于段输出，Grid1-Grid7 用于位输出。如图4-12所示。第五章 电磁炉单片机软件设计5.1主程序框架如图5-1是电磁炉的主程序流程图。完成上电初始化程序以后，便进入主程序的循环，实际上主程序循环包括两个部分即开机循环和关机循环。电磁炉一上电，便默认为关机状态，因此主程序进入关机循环，然后不断的检测是否有开机键按下。关机处理是一次性的，所以关机循环纯粹地等待开机键的按下。在关机状态下，按下开机键，主程序在完成开机初始化后，便进入开机循环。在开机循环中，开机初始化是一次性的，程序既要检测是否有关机键按下，又要进行开机处理，开机处理则包括功率控制、定温控制、无锅检测和报警等等，是电磁炉主要功能实现的地方。在开机状态下，如果按下关机键，主程序则又返回到关机循环，再重复上述过程。图5-1 主程序流程图Fig.5-1 The main program flow chart从主程序框架流程图中，可以看出只有一个控制信号即电磁炉是开机还是关机。在实际的编程过程中，可以设置一个开关机的标志位power-flag，开机为1，关机为0，这个信号可来自中断(键盘)，也可来自主程序本身报警检测，无锅检测)。主程序要保证在主程序循环一次的过程中，只使用了一次Power-flag信号，并且还需要保证在主程序循环的子程序中不再使用此标志。5.1.1上电初始化上电初始化包括接口的初始化、测试键的检测、键盘的显示扫描初始化、定时器中断的初始化、AD转换的初始化。图5-2是上电初始化的流程图。延时600ms的软件延时目的是等待电路状态的稳定，否则，一上电立刻按开/关键，有可能引起误报警。图5-2 上电初始化流程图Fig.5-2 Power-on initialization flow chart5.1.2关机处理关机信号Powflag可以来自于电磁炉上电、定时、键盘和报警检测。关机状态下有如下特征:(1) 显示部分全部熄灭，这时只有开/关键有效。在中断中可以实现这个功能。(2) 关断控制线，PWM输出关机的占空比。(3) 可以检测到开机信号。(4) 关闭电风扇。关闭条件是IGBT温度在50度以下。在上述四个功能中，第一个功能在中断中实现，后三个功能在主程序中实现。5.1.3 A/D转换子程序图5-5是AD转换的流程。这里首先简单介绍一下AD转换在本程序的使用说明。(1) ADC值缓冲区的首地址为adc-fr，6个字节分别对应存放着6个通道的ADC值，寻址方式为间接方式寻址。(2) ADC定时计数器adc-tm。以1MS中断计数，每10MS进行一次AD转换。(3) 累加和ade-sumh最大/最小值ade-max/adc-min为进行中间计算的暂存器。(4) 使用通用寄存器:R0为计数通道数，R1为采样次数。图5-5 AD流程图Fig.5-5 AD flow chart在AD转换器中，在进行通道切换后的第一次采样时，因为内部模拟开关的切换，将会对该通道外部的模拟信号带来比较大的尖峰干扰，所以在编程采取以下措施:(1) 尽可能地减少通道切换的次数。6个通道的AD转换，可以用两种方法:第一种方法是一次采样切换6个通道，采样6次，最后一起计算AD转换结果;第二方法是一个通道采样6次，立即计算该通道的AD转换结果，再切换6个通道。前者通道的切换次数是30次，后者通道的切换次数是6次。显然，第二种方法更适合本系统。但在一个ADC转换的周期内的平均值，通过第一种方法更能表现出来。(2) 在切换通道以后，先进行一次假的采样，再延时80s重新采样。(3) 为了尽可能地减小模拟信号线上电容对采样造成的影响，应该降低AD转换的频率。这里10ms ADC转换一次。5.1.4报警检测当开机时，单片机不断地检测电磁炉的工作状况。在有异常情况出现时，将发生相应的报警。在电磁炉报警时，蜂鸣器响一次，发光二极管全部点亮，此时数码管的高位显示字母E，低位则显示报警号。这种状态持续5秒钟后，电磁炉将会自动关机。报警量如下：(1) 市电电压的欠压、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。当市电电压超过260V或者低于150V时报警，电磁炉的数码管显示为E1。(2) 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EZ。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。(3)锅底温度超温、传感器断路报警 假若锅底温度偏高或着温度传感器断路则会报警，电磁炉的数码管显示为E3。在开机后，延时一段时间，再对锅底温度传感器进行断路检测。延