單片機在電磁爐功率控制中的應(yīng)用
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引言
近年來，隨著環(huán)保和節(jié)能意識的逐步提高，一種新興的"綠色的廚具"--電磁爐正在家庭中普及。它改變了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，利用電磁感應(yīng)原理，使電流通過內(nèi)置的線圈時產(chǎn)生磁場，磁場內(nèi)的磁力線感應(yīng)到鐵制器皿，產(chǎn)生無數(shù)高速運動的小渦流，渦流產(chǎn)生的巨大循環(huán)能量轉(zhuǎn)換為有效熱能，使鍋具自行高速加熱，最終直接加熱食物。電磁爐的熱效率達到90％以上，同時它無煙無灰，無污染，不升高室溫，不產(chǎn)生一氧化碳等有害物質(zhì)，安全環(huán)保。電磁爐還采用了微電腦控制，能夠隨意控制溫度。正是由于上述種種優(yōu)點，電磁爐在發(fā)達國家的家庭普及率已經(jīng)達到80％以上。
為了提高電熱轉(zhuǎn)換率，家用電磁爐一般采用的是高頻電磁爐，須將工頻電整流成直流電后再逆變成20kHz以上的高頻振蕩電流，在高頻下，穩(wěn)定功率輸出和實時檢測就成了設(shè)計的難點和關(guān)鍵所在。采用Holtek公司產(chǎn)的A/D型單片機HT46R22可以方便地實現(xiàn)定溫控制、實時檢測、報警檢測和功率控制，本文著重介紹功率控制的實現(xiàn)。
1 功率控制設(shè)計原理
1.1 電磁爐的工作原理
電磁爐的工作原理如圖1所示，由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路中220V交流電經(jīng)整流濾波后加在由電容C1及C2和電感L1與IGBT管S組成的電壓諧振變換器上。變換器主要起兩個作用，一是將工頻轉(zhuǎn)換為20～40kHz的高頻交流電，二是將電能轉(zhuǎn)換為磁能。高頻交流電加在勵磁線圈上，通過電磁感應(yīng)，直接作用于鍋具底部，產(chǎn)生渦流，使鍋具迅速加熱?？刂齐娐凡捎脝纹瑱CHT46R22作為主控制芯片，它能實現(xiàn)許多必要的檢測和保護，同時由它產(chǎn)生控制所需的PWM信號，控制電磁爐的輸出功率。
1.2 電磁爐的功率控制原理
功率控制，就是當(dāng)工頻交流電穩(wěn)定的情況下，電磁爐能按設(shè)定的功率穩(wěn)定地輸出，以使電磁爐能穩(wěn)定地工作。因為，負荷電流能反映輸出功率的大小，所以，控制的對象可以轉(zhuǎn)化為負荷電流，同時將負荷電流的大小設(shè)計為由PWM信號的占空比決定，占空比越大，負荷電流就越大。
用戶設(shè)定的火力檔（功率檔）依次為1600W、1400W、1200W、1000W、800W，實測原電磁爐的輸出功率（W）、負荷電流（A）、市電電壓（V）、負荷電流檢測值CRU電壓（V）及PWM占空比的關(guān)系如表1所列。
表1 輸出功率與負荷電流占空比等關(guān)系
輸出功率/W | 1600 | 1400 | 1200 | 1000 | 800 |
負荷電流/A | 7.33 | 6.21 | 5.5 | 5.02 | 3.67 |
市電電壓/V | 220 | 220 | 220 | 220 | 220 |
占空比 | 58 | 47 | 40 | 35 | 22 |
CRUmax/V | 4.48 | 3.68 | 3.24 | 2.88 | 2 |
CRUmin/V | 3.76 | 3.16 | 2.80 | 2.52 | 1.76 |
由表1可以得到PWM信號占空比和負荷電流得關(guān)系曲線如圖2所示。
2 功率控制的實現(xiàn)
2.1 單片機HT46R22
HT46R22是Holtec公司生產(chǎn)的一種8位高性能精簡指令集單片機，特別適合于需要A/D轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品設(shè)計。其管腳分布如圖3所示。
它有3個I/O口，一個PWM輸出通道。其低功耗、可編程分頻器、計數(shù)器、振蕩器選擇、多通道A/D轉(zhuǎn)換、PC通信等功能，使之廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、馬達控制、消費類產(chǎn)品等。
控制電路采用的是雙閉環(huán)控制，原理圖如圖4所示。
單片機HT46R22的腳14（PD0）可以輸出一通道的PWM信號，它和電流負反饋信號經(jīng)過直流控制電平形成電路形成直流控制電平，同時，來自主電路的電流檢測信號和電壓檢測信號經(jīng)鋸齒波發(fā)生電路后形成鋸齒波，鋸齒波和直流控制電平相比較就得到了控制電磁爐主電路中的S開通關(guān)斷的控制脈沖。
比較電壓V＋恒定，而V－隨輸出功率變化，當(dāng)輸出功率大于設(shè)定功率時，得到低電平的控制電平，輸出窄開通脈沖，降低輸出功率，反之亦然。這樣，就通過一個閉環(huán)調(diào)節(jié)控制達到了穩(wěn)定輸出功率的目的。
2.3 軟件設(shè)計
功率控制的軟件設(shè)計是電磁爐軟件設(shè)計的主要部分，采用匯編語言編程，其中變量說明如下：
1）加熱/定溫狀態(tài)切換標(biāo)志heatflg 1為加熱，0為定溫，開機初始化為1，只有鍵盤可改變此標(biāo)志；
2）加熱檔位寄存器heatreg和計數(shù)器heatcnt heatreg高5位低電平有效，每一位對應(yīng)一加熱檔，heatreg7為"保溫"控制顯示比較方便；heatcnt對5檔進行計數(shù)，0為"炒"，控制查表比較方便；開機初始化 heatreg=f7h，heatcnt=0，為"炒"檔，只有鍵盤可改變此標(biāo)志；
3）最小火力控制變化定時計數(shù)器minpowcnt 在定時器中斷中將其減為0后，傳入主程序，當(dāng)處于"加熱－保溫"時，主程序重置此計數(shù)器，并將控制線反轉(zhuǎn)。
源程序及解釋如下：
； 功 率 控 制
powctrl:
mov r0, a ;以 下 為 計 算 PWM=128＊ Ptab/VOL－ 28
mov a, 80h
mov r1, a
call mul ;ro,r1=128＊ Ptab
mov a, VOLADN
add a, offset adcbfr
mov mp, a ;指 向 市 電 電 壓 ADC值
mov a, j ar
mov r2, a
call div ;r1=r0,r1/VOL
mov a, r1
sub a, 28 ;PWM=r1－ 28,值 在 A中
mov r0, a
sub a, 127
snz cy ;PWM超 上 限 否
jmp powctrl1 ;否
mov a, 126
jmp powctrl3
mov a, r0
sub a, 38
sz cy ； PWM超 下 限 否
jmp powctrl2 ； 否
mov a, 38 ;是
jmp powctrl3
powctrl2:
mov a, r0
powctrl3:
r1 acc
mov pwm, a
； 控 制 線 控 制
snz heatflg ； 加 熱 狀 態(tài) 否
jmp keephdl ； 否 ， 轉(zhuǎn) 入 定 溫 控 制
snz heatreg.7 ； 是 ， 是 " 保 溫 " 檔 否
jmp chgctrl ； 是
clr control ； 否 ， 打 開 控 制 線
jmp endputhdl
chgctrl:
sz minpowcnt ； 是 ， 3秒 到 否
jmp chgctrl1 ； 否
mov a, MINPTIME＊ 4 ； 是
mov minpowcnt a ； 重 置 最 低 火 力 計 數(shù) 器
sz control ； 當(dāng) 前 控 制 線 輸 出 是 否 有 效
jmp chgctrl2 ； 否
set control ;是 ， 置 控 制 線 有 效
mov a, 50
mov ctrlcnt, a
jmp chgctrl1
chgctrl2:
clr control ； 使 能 控 制 線 有 效
chgctrl1:
jmp endputhdl
3 結(jié)語
采用上述功率控制方法控制電磁爐的功率輸出，其功率浮動范圍能有效地控制在50W之內(nèi)。通過實際產(chǎn)品驗證，電磁爐性能穩(wěn)定，因此，上述功率控制方法切實可行，是一種值得推廣的方法。
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