毕业设计论文--基于单片机控制系统电磁炉的设计.doc

江苏城市职业学院 毕业设计（论文） （ 2015 届） 设计（论文）题目 基于单片机控制系统电磁炉的设计 办 学 点 （系） 江苏城市职业学院南通办学点 专 业 电气自动化技术 班级 12 电气 学号 120503350213 学生姓名 牛冲冲 起讫日期 2014112015.3 地点 江苏城市职业学院南通办学点 指导教师 李雪峰 职称 讲师 2014 年 12 月 01 日 江苏城市职业学院教务处制 江苏城市职业学院 1 目目 录录 目 录.1 摘 要.3 前 言.4 第 1 章 系统总体方案.5 1.1 电磁炉整机零件一般包括如下5 1.2 方案设计6 1.3 方案论证7 第 2 章 硬件设计.4 2.1 芯片介绍.4 2.1.1 AT89C51.4 2.1.2 模数转换器ADC08096 2.1.3 LM339集成电路8 2.2 电磁炉无锅检测模块9 2.3 定时控制模块.10 2.4 功率控制模块.11 2.5 PWM 脉宽调控电路.12 2.6 振荡电路12 2.7 IGBT 激励电路.13 2.8 主回路原理分析.13 2. 9 同步电路15 2.10 加热开关控制16 2.11 散热系统16 2.12 温度自动控制模块.16 2.13 显示模块.17 2.14 保护电路.19 2.15 按键模块.20 2.16 报警模块20 2.17 电源电路.21 第 3 章 程序设计.19 3.1 主程序流程.19 江苏城市职业学院 2 3.2 无锅检测程序流程.20 3.3 A/D 转换程序流程21 3.4 外部中断21 3.5 定时模块流程.22 3.5.1内部定时中断23 3.5.2定时功能的实现24 3.6 温度控制程序流程.26 3.7 基本显示模块流程.26 3.7.1 显示时间程序流程.26 3.7.2显示温度程序流程图27 3.8 报警模块流程.27 3.8.1 定时报警程序流程图.27 3.8.2 超温报警.28 第 4 章 系统仿真与调试.29 4.1 系统仿真.29 4.1.1 原理图绘制.29 4.1.2 程序的设计与编译.29 4.2 系统调试.30 4.2.1 定时模块.31 4.2.2 温度和功率控制模块.31 4.2.3 无锅检测和保护模块.31 4.2.4 报警模块调试.31 结束语.49 参考文献.50 致 谢.51 附 录.52 附录 程序清单.52 附录 元器件清单61 江苏城市职业学院 3 摘摘 要要 本文介绍了电磁炉的功能控制系统，它利用单片机的多功能控制优势对电磁炉 进行智能控制，使之具有高效节能、健康环保、安全可靠等一系列优点。 本设计以AT89C51为核心，实现电磁炉的数码管显示控制、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； 对单片机AT89C51在系统控制上的应用，从软硬件两方面对控制系统的设计方案 做了简单的介绍。在软件设计上，采用模块化程序设计的思想，对电磁炉控制系统 的各个功能模块进行划分和设计。研究智能锅具检测技术，提高了锅具检测的快速 性和准确性，减少电磁污染并节约了电能。 最后，对整个系统进行仿真、调试和性能测试。测试结果表明，该控制系统设 计合理，稳定，安全、可靠性高。 关键词：电磁炉；单片机；多功能；控制 江苏城市职业学院 4 前前 言言 当今，随着电子技术的高速发展,单片机的应用已经渗透到生产和生活中的各个 方面，有力的推动了社会的发展。单片机以其体积小，集成度高，价格便宜,在数据 处理、实时控制等方面无与伦比的强大功能而受到广大科研工作者及生产厂家的亲 睐。目前，市场热销的电磁炉就是单片机控制系统的一个典型应用，其品牌繁多、 功能强大且多样。作为一个毕业设计的课题，对单片机控制系统的应用做了一些初 步的尝试和探讨。 以往家用电器采用模拟电路和数字电路设计的整体电路的规模较大，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；而今， 采用单片机系统完成设计使电路设计简单可靠，工作可靠性很好，功能强大，实现 控制智能化。为此我们采用了单片机进行设计，相对来说功能强大，用较少的硬件 和适当的软件相互配合可以很容易的实现设计要求，且灵活性强，可以通过软件编 程来完成更多的附加功能。针对各种功能的控制，通过软件编程就可以轻易而举的 实现。 本设计以AT89C51为核心，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；对单片机 AT89C51在系统控制上的应用，从软硬件两方面阐述了控制系统的设计方案做了 简单的介绍。在软件设计上，采用模块化程序设计的思想，对电磁炉控制系统的各 个功能模块进行划分和设计，提高了控制系统的快速性和准确性。 最后，对整个系统进行组装、调试和性能测试。实验结果表明，该控制系统设 计合理，稳定，安全，可靠性高。 江苏城市职业学院 5 第第 1 章章 系统总体方案系统总体方案 1.1 电磁炉整机零件一般包括如下 1、陶瓷板： 又叫微晶玻璃板，位于电磁炉顶部，用于锅具的垫放，具有足够机械 强度，耐酸碱腐蚀，耐高低温冲击。 2、上 盖： 用耐温塑料制成，作为电器的外保护壳。 3、面 膜： 用塑料薄膜制成，用于功能显示及按键操作指示。 4、灯 板： 又叫显示控制板，位于壳内，进行功能显示及功能按键操作。 5、炉面传感器组件：位于壳内，嵌在发热盘的中间，用橡胶头或其它方式顶住陶瓷 板，用于控制炉面锅具的温度。 6、加热线盘：位于壳内，主工作器件，发射磁力线，自身也会发热。 7、主 控 板：又叫电源板、主板，位于壳内，作为电转换的控制的主工作部分。 8、电源线及线卡：连接市电与电磁炉，提供电源通道。 9、电 风 扇：位于壳内，通过吸风将炉内热量带出壳外，起降温作用。 10、下 盖： 用耐温塑料制成，作为电器的下保护壳，及支撑内部器件及锅具作用。 江苏城市职业学院 6 1.2 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 江苏城市职业学院 7 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。 方案结构图如图1.1： 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 图 1.1 方案一结构图 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。方案结构图如图1.2： 单 片 机 定时控制 温度自动控制 功率自动控制 检测报警控制 安全保护控制 数码管显示控制 电源电路 图 1.2 方案二结构图 1.3 方案论证 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 江苏城市职业学院 8 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ADC0809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。 江苏城市职业学院 4 第第 2 章章 硬件设计硬件设计 2.1 芯片介绍 2.1.1 AT89C51 AT89C511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。 AT89C51引脚如图2.1所示。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 图2.1 主芯片 AT89C51 引脚图 微处理器：该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同， 同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处 理数据，还可以进行位变量的处理。 数据存储器：片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序 在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为 数据存储器。 江苏城市职业学院 5 程序存储器：由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的 只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字 节。 中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 串行口：有1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯， 扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强 且应用更广。 并行I/O口：共有4个并行8位I/O口（P0、P1、P2、P3），每个口都有 1个锁存器和1个驱动器组成。并行I/O口主要是用于实现与外部设备中数据的并 行输入/输出，有些I/O口还具有其他功能。 特殊功能寄存器：共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、 监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 复位电路的设计 复位电路的实现通常有两种方式： RC复位电路和专用P监控电路。前者实 现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；后者成本较高，但复位可靠性高，尤其 是高可靠重复复位。对于复位要求高、并对电源电压进行监视的场合，大多采用这 种方式。 本次设计采用了上电按钮电平复位电路。电路图如图2. 2所示。 RES C3 10uF R9 10k K 图2. 2 复位电路图 由上可见，单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得 一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的 1 位微计算机，这 个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、 江苏城市职业学院 6 逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明 显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相 承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。 2.1.2 模数转换器模数转换器 ADC0809 对系统精度至关重要的 A/D 转换换器，采用的是 ADC08092。 （1）内部结构 ADC0809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。 （2）引脚及功能 ADC0809的芯片引脚如图2.3所示。 图2.3 ADC0809 的芯片引脚图 引脚功能介绍如下所述： IN0IN7：8路模拟量输入通道的端口。输入信号为单极性，电压范围为0- 5V。 START，ALE：START为启动控制输入端口，START上跳沿时，所在内 部寄存器清零；START下跳时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间， START就保持低电平。ALE为地址锁存控制信号端口。这两个信号端可连接在一 起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换。 江苏城市职业学院 7 EOC，OE：EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端门。 这两个信号亦可连接在一起表示模/数转换结束。OE端的电平由低变高，打开三态 输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。 REF(+)、REF(-)、VccGND：REF(+)和REF(-)为参考电压输入端，Vcc 为主电源输入端，GND为接地端。一般REF(+)与Vcc连接在一起，REF(-)与 GND连接在一起。 CLK：时钟输入端。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界 提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz以下时钟信号。 ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟开关的3位地址选通输入端，以选择 对应的输入通道。 ADC0809功能如下所述： 分辨率为8位； ADC0809最大不可调误差小于 1/2LSB，ADC0809小于1LSB；由单一的+5v电源供电，模拟输 人范围为05V；具有锁存控制的8路模拟开关；可锁存三态输出， 输出与TTL兼容；功耗为15mW；不必进行零点和满度调整； 转换速度取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围：10-1280kHz，当 CLK=500kHz时，转换速度为128us。 ADC0809与单片机AT89C51接口连接如图2.4。 EOC EOC XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF(+) 12 VREF(-) 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U3 ADC0808 47% RV1 4.7k U3(CLOCK) 江苏城市职业学院 8 图2.4 ADC0809 与单片机 AT89C51 接口连接图 2.1.3 LM339 集成电路集成电路 LM339 内置四个翻转电压为 6mV 的电压比较器,当电压比较器输入端电压正向时(+ 输入端电压高于-入输端电压), 置于 LM339 内部控制输出端的三极管截止, 此时输 出端相当于开路; 当电压比较器输入端电压反向时(-输入端电压高于+输入端电压), 置于 LM339 内部控制输出端的三极管导通, 将比较器外部接入输出端的电压拉低,此 时输出端为 0V。 2.1.4 IGBT 绝缘栅双极晶体管(Iusulated Gate Bipolar Transistor)简称 IGBT,是一种集 BJT 的大电 流密度和 MOSFET 等电压激励场控型器件优点于一体的高压、高速大功率器件。 目前有用不同材料及工艺制作的 IGBT, 但它们均可被看作是一个 MOSFET 输入跟 随一个双极型晶体管放大的复合结构。 IGBT 有三个电极(见上图), 分别称为栅极 G(也叫控制极或门极) 、集电极 C(亦称漏 极) 及发射极 E(也称源极) 。 从 IGBT 的下述特点中可看出, 它克服了功率 MOSFET 的一个致命缺陷, 就是于 高压大电流工作时, 导通电阻大, 器件发热严重, 输出效率下降。 IGBT 的特点: 1.电流密度大, 是 MOSFET 的数十倍。 2.输入阻抗高, 栅驱动功率极小, 驱动电路简单。 3.低导通电阻。在给定芯片尺寸和 BVceo 下, 其导通电阻 Rce(on) 不大于 MOSFET 的 Rds(on) 的 10%。 4.击穿电压高, 安全工作区大, 在瞬态功率较高时不会受损坏。 江苏城市职业学院 9 5.开关速度快, 关断时间短,耐压 1kV1.8kV 的约 1.2us、600V 级的约 0.2us, 约为 GTR 的 10%,接近于功率 MOSFET, 开关频率直达 100KHz, 开关损耗仅为 GTR 的 30%。 IGBT 将场控型器件的优点与 GTR 的大电流低导通电阻特性集于一体, 是极佳的 高速高压半导体功率器件。 2.2 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。 如图 2.7 所示，本系统检锅模块通过电流检测电路来实现，检测原理38：R17 分压，D4、C10构成一个滤波电路，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，若无锅，则从电 磁炉工作原理上进行解释，即认为是内部加热线圈没有负载，也就没有功耗，所以 主回路只有很小的输入电流，取样电压也很低，即单片机检测到的电压将很低。系 统自动报警，关断控制线；若电压高于临界值，则认为有锅，恢复原来的工作状态； 无锅检测时，按关机键，仍能关机。 无锅检测电路设计如图2.7。 TO 喇叭 TR2 TRAN-2P2S C9 R2 +5V 220V交流 D4 1N4148 R17C11 7 6 1 312 U6:A LM339 Q2 2N2369 +5V +5V C10 R18 25k 电流互感器 图 2.7 无锅检测电路图 江苏城市职业学院 10 2.3 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。 按键功能说明： 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。 时钟电路设计，原理图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用， 因此，在本定时模块中C1、C2选择30 pF，晶振频率为12MHz。 其电路设计如图2.8。 图 2.8 定时控制电路图 江苏城市职业学院 11 定时指示可以有声或光两种形式，本系统采用声音指示。关键元件是扬声器， 扬声器有无源和有源两种，前者需要输入声音频率信号才能正常发声，后者则只需 外加适当直流电源电压即可，元件内部已封装了音频振荡电路，在得电状态下即起 振发声。市场上的有源扬声器分为 3V、5V、6V 等系列，以适应不同的应用需要。 定时电路是用比较器来比较计时系统和定时系统的输出状态，如果计时系统和定时 系统的输出状态相同，则发出一个脉冲信号，再和一个高频信号混合，送到放大电 路驱动扬声器发声，从而实现定时报警的功能。 本次设计的定时时间可达到 24 小时，用户可根据自己的意愿任意设置定时的时 间，当定时时间到时，系统会自动报警以提示用户进行相应的操作。若定时时间还 没到，而用户又想要中止时，则可通过面板上的相应按键进行中断。 2.4 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 ADC0809组成。根据电源电压（市电压）利用相关公式并通过调节RV1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。设计预先实 现以下几个步骤： (1) 控制公式4 要根据所设定的功率及当时所测市电电压，来确定要输出的占空比，将I=P/V 代入上式，得: 占空比=0.156P/V-0.222 (2.1) 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，32us为一个周期；功率P表示为Ptab10，Ptab为火力档功率查表值， 由高至低分别为160(A0H)、140(8CH)、120(78H)、110(6EH)、80(50H)； 将V的测量解析式代入，得： PWM=128Ptab/VOLADC28 (2.2) 市电电压值与 ADC 转换值的近似解析公式： V=VOL220/2.66=VOLADC79.4/51=1.557VOLADC (2.3) VOLADC为VOL电压ADC值。 比较电压VCMP与负荷电流的关系。 江苏城市职业学院 12 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。根据电路图可得出它们之间的关系为： 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。 2.5 PWM 脉宽调控电路 CPU 输出 PWM 脉冲到由 R6、C33、R16 组成的积分电路, PWM 脉冲宽度越宽,C33 的电压越高, C20 的电压也跟着升高,送到振荡电路 (G 点)的控制电压随着 C20 的升高而 升高, 而 G 点输入的电压越高, V7 处 于 ON 的时间越长, 电磁炉的加热功 率越大,反之越小。 “CPU 通过控制 PWM 脉冲的宽与窄, 控制送至振荡电路 G 的加热 功率控制电压，控制了 IGBT 导通时间的长短,结果控制了加热功率的大小”。 2.6 振荡电路 (1) 当 G 点有 Vi 输入时、V7 OFF 时(V7=0V), V5 等于 D12 与 D13 的顺向压降, 而当 V6V5 时,V7 转态为 OFF,V5 亦降至 D12 与 D13 的顺向压降, 而 V6 则由 C5 经 R54、D29 放电。 (3) V6 放电至小于 V5 时, 又重复(1) 形成振荡。 “G 点输入的电压越高, V7 处于 ON 的时间越长, 电磁炉的加热功率越大,反之越小”。 江苏城市职业学院 13 2.7 IGBT 激励电路 振荡电路输出幅度约 4.1V 的脉冲信号,此电压不能直接控制 IGBT(Q1)的饱和导通及 截止,所以必须通过激励电路将信号放大才行,该电路工作过程如下: (1) V8 OFF 时(V8=0V),V8V9,V10 为低,Q8 和 Q3 截止、Q9 和 Q10 导通,+22V 通过 R71、Q10 加至 Q1 的 G 极,Q1 导通。 2.8 主回路原理分析 江苏城市职业学院 14 由电力电子电路组成的电磁炉（Inductioncooker）是一种利用电磁感应加热原理， 对锅体进行涡流加热的新型灶具。主电路是一个 AC/DC/AC 变换器，由桥式整流器 和电压谐振变换器构成，当电磁炉负载（锅具）的大小和材质发生变化时，负载的 等效电感会发生变化，将造成电磁炉主电路谐振频率变化，导致电磁炉的输出功率 不稳定，就会使功率管 IGBT 过压损坏。在此先分析电磁炉主谐振电路拓扑结构和 工作过程是怎样的。 （1）电磁炉主电路拓扑结构 电磁炉的主电路如图 1 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。 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 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。 时间 t1t2 时当开关脉冲加至 Q1 的 G 极时,Q1 饱和导通,电流 i1 从电源流过 L1, 由于线圈感抗不允许电流突变.所以在 t1t2 时间 i1 随线性上升,在 t2 时脉冲结束,Q1 截止,同样由于感抗作用,i1 不能立即变 0,于是向 C3 充电,产生充电电流 i2,在 t3 时间, C3 电荷充满,电流变 0,这时 L1 的磁场能量全部转为 C3 的电场能量,在电容两端出现 左负右正,幅度达到峰值电压,在 Q1 的 CE 极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源 电压,在 t3t4 时间,C3 通过 L1 放电完毕,i3 达到最大值,电容两端电压消失,这时电容 中的电能又全部转为 L1 中的磁能,因感抗作用,i3 不能立即变 0,于是 L1 两端电动势 反向,即 L1 两端电位左正右负,由于阻尼管 D11 的存在,C3 不能继续反向充电,而是经 过 C2、D11 回流,形成电流 i4,在 t4 时间,第二个脉冲开始到来,但这时 Q1 的 UE 为正, 江苏城市职业学院 15 UC 为负,处于反偏状态,所以 Q1 不能导通,待 i4 减小到 0,L1 中的磁能放完,即到 t5 时 Q1 才开始第二次导通,产生 i5 以后又重复 i1i4 过程,因此在 L1 上就产生了和开关脉 冲 f(20KHz30KHz)相同的交流电流。t4t5 的 i4 是阻尼管 D11 的导通电流, 在高频电流一个电流周期里,t2t3 的 i2 是线盘磁能对电容 C3 的充电电流,t3t4 的 i3 是逆程脉冲峰压通过 L1 放电的电流,t4t5 的 i4 是 L1 两端电动势反向时, 因 D11 的存在令 C3 不能继续反向充电, 而经过 C2、D11 回流所形成的阻尼电流,Q1 的 导通电流实际上是 i1。 Q1 的 VCE 电压变化:在静态时,UC 为输入电源经过整流后的直流电源,t1t2,Q1 饱和 导通,UC 接近地电位,t4t5,阻尼管 D11 导通,UC 为负压(电压为阻尼二极管的顺向压 降),t2t4,也就是 LC 自由振荡的半个周期,UC 上出现峰值电压,在 t3 时 UC 达到最大 值。 以上分析证实两个问题:一是在高频电流的一个周期里,只有 i1 是电源供给 L 的 能量,所以 i1 的大小就决定加热功率的大小,同时脉冲宽度越大,t1t2 的时间就越长,i1 就越大,反之亦然,所以要调节加热功率,只需要调节脉冲的宽度;二是 LC 自由振荡的 半周期时间是出现峰值电压的时间,亦是 Q1 的截止时间,也是开关脉冲没有到达的时 间,这个时间关系是不能错位的,如峰值脉冲还没有消失,而开关脉冲己提前到来,就会 出现很大的导通电流使 Q1 烧坏,因此必须使开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿相同步。 2. 9 同步电路 R78、R51 分压产生 V3,R74+R75、R52 分压产生 V4, 在高频电流的一个周期里, 在 t2t4 时间 (图 1),由于 C3 两端电压为左负右正,所以 V3V5,V7 OFF(V7=0V),振荡没有输出,也就没有开关脉冲加至 Q1 的 G 极,保证 了 Q1 在 t2t4 时间不会导通, 在 t4t6 时间,C3 电容两端电压消失, V3V4, V5 上升, 振荡有输出,有开关脉冲加至 Q1 的 G 极。以上动作过程,保证了加到 Q1 G 极上的开 关脉冲前沿与 Q1 上产生的 VCE 脉冲后沿相同步。 江苏城市职业学院 16 2.10 加热开关控制 (1)当不加热时,CPU 19 脚输出低电平(同时 13 脚也停止 PWM 输出), D18 导通, 将 V8 拉低,另 V9V8,使 IGBT 激励电路停止输出,IGBT 截止,则加热停止。 （2)开始加热时, CPU 19 脚输出高电平,D18 截止,同时 13 脚开始间隔输出 PWM 试探信号,同时 CPU 通过分析电流检测电路和 VAC 检测电路反馈的电压信息、 VCE 检测电路反馈的电压波形变化情况,判断是否己放入适合的锅具,如果判断己放 入适合的锅具,CPU13 脚转为输出正常的 PWM 信号,电磁炉进入正常加热状态,如果 电流检测电路、VAC 及 VCE 电路反馈的信息,不符合条件,CPU 会判定为所放入的 锅具不符或无锅,则继续输出 PWM 试探信号,同时发出指示无锅的报知信息(祥见故 障代码表),如 1 分钟内仍不符合条件,则关机。 2.11 散热系统 将 IGBT 及整流器 DB 紧贴于散热片上,利用风扇运转通过电磁炉进、出风口形成的 气流将散热片上的热及线盘 L1 等零件工作时产生的热、加热锅具辐射进电磁炉内 的热排出电磁炉外。 CPU 发出风扇运转指令时,15 脚输出高电平,电压通过 R5 送至 Q5 基极,Q5 饱和导通, VCC 电流流过风扇、Q5 至地,风扇运转; CPU 发出风扇停转指令时,15 脚输出低电平, Q5 截止,风扇因没有电流流过而停转。 2.12 温度自动控制模块 温度控制模块包括定温设置即电磁炉保温，调温和上、下限控制。定温设置通 过调节电位器（RV1）的“” 、 “”进行设置定温的大小，按一下“”即温 度值加 1，按一下“”即温度值下降 1。本系统可以在温度限制范围内无限级选择 要设置的温度大小，设定后，系统自动处于保温状态。调温时，同样可以通过调节 RV1的两个键改变RV1电阻大小，经A/D0808转换后输出温度5，温度变化为 江苏城市职业学院 17 每级23度。温度上、下限控制：若温度高于上限或低于下限则自动报警，同时 超温警示灯亮。 本次设计温度上限为250度，下限为70度。当温度达到250度或低于70度 时，峰鸣器会自动发出“B”的报警声，同时超温(红)灯亮。 温度控制电路设计如图 2.10。 图 2.10 温度控制电路图 2.13 显示模块 本次设计显示分为数码管显示和LED灯显示。数码管显示主要有定时显示和 温度显示，采用了8位数码管6和一个常用的3-8译码器74LS138实现系统定时 时间和温度的数据显示。在8位LED显示时，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P2.0P2.2控制， 由74LS138的输出口A、B、C输入经译码器 江苏城市职业学院 18 译码输出端Y0Y7输出，然后依次输入到数码管的位选81口。而将其相应的 段选线由P0.0P0.7依次输入至数码管的ADP。系统中的数码管集时间显示 和温度显示于一体，不但减少元器件的数量，降低设计成本，而且用户可更直观的 运用显示功能，使用更方便，实现产品人性化设计。 LED灯显示主要有无锅指示，超温指示和系统工作正常指示。如图2.11 中所 示，D1为无锅指示灯，当系统检测到无锅时，D1灯亮；D2为正常指示灯，当系 统工作正常时，D2亮；D3为超温指示灯，当系统温度值大于250或小于70时， D3亮。 显示电路如图2.11： 图 2.11 显示电路图 (1) 显示时间： 译码显示电路将“时” 、 “分”计数器的输出状态七段显示译码器译码，通过 8位LED七段显示器高四位分别显示时间的时十位、时个位、分十位、分个位。 校时电路时用来对“时” 、 “分” 显示数字进行校对调整的。当电磁炉开机时，显 示00：00，若要定时，则通过按键进行相应的设置：按一下K4，进入定时设置， 数码管显示相应的时间，设置退出时显示从00：00开始计时的时间；按一下 K1、K2分别显示时间分、时的变化。 江苏城市职业学院 19 (2) 显示温度： 温度由8位数码管的低四位显示（注：本系统中温度显示只用到数码管的低3 位，分别显示温度百、十、个位）。温度显示的范围为：0255。通过调节可变电 阻的大小来调节温度的高低，并由数码管显示具体温度数据。根据设计要求，结合 电磁炉工作的实际情况，本设计另设置了报警上下限，即上限为250，下限为70。 用一个LED可显示达到温度上下限，当达到温度上或下限时，该警示灯亮。 2.14 保护电路 在实际生活中，受多种因素的影响往往会出现市电过压、欠压现象，因此，作 为一种家用烹饪电器，其具有相应的保护功能。如图2.12所示，其中 RV2，LM324的1、2、3脚和外围组件组成欠压保护电路79。其中 RV3，LM324的5、6、7脚和外围组件组成过压保护电路。电阻R5 R8为比 较器提供基准电压， R4、R5、R6、R12、R14、R16为分压电阻， VDl、VD2为耦合二极管。 电源电压正常时，RV2输出电压使LM324的2脚电位大于3脚电位，其1 脚输出低电平，单片机判断电源电压正常。当电源电压低于160V时，RPl输出电 压使LM324的2脚电位小于3脚电位，其1脚输出高电平，经 VD1、R12、R16分压送入单片机进行欠压判断控制。电源电压正常时，RV3输 出电压使LM324的5脚电位大于6脚电位，其7脚输出低电平，单片机判断电源 电压正常。当电源电压高于245V时，RV3输出电压使LM324的5脚电位小于 6脚电位，其7脚输出高电平，经VD2、R12、R16分压送入单片机进行过压判 断控制。 江苏城市职业学院 20 to 89C51的VCC 220(+) 220(-) C20 1nF R4 10k R6 10k R14 10k R7 10k R8 10k R11 10k R3 10k R9 10k R15 10k R13 10k R10 10k R16 10k R5 10k VD1 1N4001 VD2 1N4001 R12 10k 3 2 1 411 U1:A LM324 5 6 7 411 U1:B LM324 52% RV3 10K 59% RV2 10K 电压来自电源 电路整流桥 图 2.12 保护电路图 过热检测和保护可参照温度控制模块，当系统温度高于预定值时，系统自动报 警并作相应的处理。 2.15 按键模块 按键设计如图2.13所示， G K1 K2 K3 K4 TO ADC0808 52% RV1 1k 分分确确定定 时时定定时时 图 2.13 按键设计图 其中按键功能为： 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；K1：用来设置定时时间的时，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。 RV1的“” 、 “”键分别控制RV1阻值增加、减小，它主要有控制系统 两大模块即温度和功率模块，而且都是通过控制RV1的电阻来控制模块功能。在 温度控制中，调节RV1的“” 、 “”键改变其阻值经A/D转换实现控制；在 江苏城市职业学院 21 功率控制中，调节RV1的“” 、 “”键改变其阻值经CPU输出改变PWM 的输出占空比则可实现功率控制。 2.16 报警模块 利用程序来控制单处机某个口线的“高”电平或“低”电平，则在该口线上就 能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序 控制“高”、“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调。 系统报警信号由单片机P3.4口接入扬声器，有报警信号输入时扬声器发出 “B”的声音。系统产生报警信号的情况：（1）当定时时间达到时；（2） 当温度上限或下限达到时；（3）当系统检测到无锅时。 报警电路由一个扬声器驱动电路8和一个扬声器组成。 报警电路如图2.14： P3.4 LS1 SPEAKER D0 1N4148 Q1 2N2905 R2 1k +5v 图 2.14 报警电路图 2.17 电源电路 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中单片机、 数码管显示、定时、报警等电路需要5V的电源，因此电路中选用稳压芯片7805， 其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路9 10如图2.15所示。 江苏城市职业学院 22 T2 NLT_PQ_4_20 1 2 4 3 D1 1B4B42 RL 1.0kohm C1 470uF V1 220V 1000Hz 0Deg AB T G XSC1 C2 10uF L1 100uH Key = Space J1 V3VCVO V2 U1 LM7805CT 2 6 0 5 9 0 10 12 151 图 2.15 电源电路图 图 2.16 电源电路测试图 江苏城市职业学院 19 第第 3 章章 程序设计程序设计 系统程序设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件电路设计外，大 量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，程序设计在 微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。过程 控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制系统准确 高效地实现各功能。 为了完成上述任务，在进行设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部 分叫做一个模块。所谓“模块” ，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段， 这种程序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法的主要优点是： （1）单个模块比起一个完整的程序易编写及调试； （2）模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用； （3）模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、温度控制子程序显示子程 序等构成。 3.1 主程序流程 如图3.1所示，系统启动后，对整个系统进行初始化，进入主程序循环。初始 化包括：口线初始化、测试键检测、键盘显示初始化、定时器中断初始化、A/D转 换初始化。开机启动即开启显示，A/D转换和系统内部定时；随着系统工作的进行， 用户可启用中断即可自行设置定时，定温；当定时时间到或系统温度超出设定范围 时，系统自动开启报警功能，提示用户进行相应操作。程序代码见附录。 江苏城市职业学院 20 调用报警子程序 调用中断子程序 调用转换子程序 开启定时、控温 调用显示子程序 置位初始化标志 系统初始化 开始 结束 如图3.1 主程序流程图 3.2 无锅检测程序流程 程序流程如图3.2所示，本系统中的无锅检测利用电流检测电路进行检测，系 统检测到无锅检测标志EMPTY 为1时，系统认为是无锅；否则为有锅。无锅时， 无锅警示灯（D1红灯）亮。 检测入口 电流检测 置无锅检测标志为 1 无锅检测标 志为 1？ 判为无锅 无锅指示灯亮 判为有锅 系统继续工作 YN 图 3.2 无锅检测流程图 江苏城市职业学院 21 转换复位 启动转换 允许转换输出 读转换结果 有转换结束信号 N Y 子程序返回 3.3 A/D 转换程序流程 A/D转换流程如图3.3所示，首先系统自动转换复位，启动A/D转换，将模 拟值通过ADC0809转换为具体可视化数字，并可以通过数码管显示出来。本次设 计将温度和压力转换为数值。程序代码见附录。 图 3.3 A/D 转换流程图 3.4 外部中断 外部中断程序流程图如图3.4所示，系统进行定时设置时，启动外部中断。开 始扫描按键，当K4按下，可进行定时设置； K1设置定时的分钟，按一K1则分 钟加一； K2设置定时的时钟的时，按一下K2则时钟加一；K3设置定时确定并 退出。程序代码见附录。 江苏城市职业学院 22 设置定时的分 关 T1 标志位清 0 P2 口数据送累加器 入口 K4 按下？ K1 按下？ 设置定时的时 K2 按下？ N N N N N N Y N N N N N Y N N 中断返回 Y N N 确定定时设置 K3 按下？ N N N Y N N 图3.4 外部中断流程图 3.5 定时模块流程 时间控制主模块的程序框图如图3.5所示，程序代码见附录。 江苏城市职业学院 23 CPU 系统初始化 定时初始化 中断初始化 CPU系统初始化 始 化 串行口初始化 显示待机指示符 设置定时时间 显示刷新 启动计时 有关变量初始化 刷新显示 报警 设置好定时时间 定时时间到? 1 秒钟到了吗? 时或分变化了吗 延时 1 1 N N N N Y Y Y Y 图3.5 定时控制主流程图 3.5.1 内部定时中断内部定时中断 内部定时器中断如图3.6所示，由于定时器中断可能发生在主程序的任何地方， 因此对主程序和中断服务程序都要用到的资源必须加以保护