【正文】 電磁爐的設計與研究 摘 要電磁爐是目前發(fā)展最快的，市場增長幅度最高的家電產(chǎn)品之一。開發(fā)的電磁爐具有成本低、界面多、功能齊全等優(yōu)點，有一定的市場競爭力。本文基于感應加熱原理，設計開發(fā)了電磁爐的控制系統(tǒng)，完成了電磁爐控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，本文主要研究內(nèi)容如下:電磁爐的發(fā)展過程、工作原理、功能實現(xiàn)原理、硬件電路設計原理以及單片機程序的結構等。硬件電路主要包括主回路、控制電路、保護電路、電源電路和顯示電路等單元回路。電磁爐實現(xiàn)的功能:加熱功能、定溫功能、定時功能、無鍋檢測功能、報警功能，具體包括過熱報警、過壓或者欠壓報警、風扇失效報警等。顯示界面是數(shù)碼管顯示界面。單片機的使用讓電磁爐實現(xiàn)了智能化，主要包括提供良好的人機界面、功率自動控制、溫度自動控制、定時控制以及各種自動檢測報警等。該系統(tǒng)覆蓋了電、機、磁等眾多的知識。單片機程序結構分主程序和定時器中斷服務程序兩個部分，經(jīng)過反復試驗運行，程序運行穩(wěn)定可靠。關鍵詞:電磁爐 電磁感應 CKM001 拓撲結構1Design and Research of Induction CookerAbstractInduction cooker is one of the household electrical appliances whose development is quickest and the market growth rate is highest at the present. The designed induction cooker has advantages like low cost，many interface，plete function there is a certain degree of market petitiveness . This paper designed the control system based on the principle of induction heating and pleted the control system’s hardware and the software design of the induction main content is as follows:This thesis introduces the development course，working principle，function realizing principle，hardware circuit design principle as well as MCU Program’s structure of induction cook. Hardware circuit includes the unit loop circuit such as main loop circuit drive ，control circuit，protective cireuit，the circuit of power source and displaying circuit etc.Induction can achieve the following functions: heating function, constant temperature function, timing function, no pot detection, alarm function. It specifically including overheating alarm, overvoltage alarm , undervoltage alarm and fan failure alarm.The displaying interface is Digital Number Display use of MCU makes the induction cooker intelligence,mainly offers good manmachine interface,power automatic control and temperature automatic control as well as various automatic detections alarm program structure divides into two parts as main program and timet interrupt service program,after many times’testing and running,the program runs steadily and reliably.Keyword: Induction Cooker Electrolmagnetic Induction CKM001 第一章 緒論在半個世紀以前，德國人利用電磁感應原理發(fā)明電磁爐。從此，電磁爐開始走進人們的生活。目前，在西方發(fā)達國家，電磁爐的使用率比較高，基本上達到80%左右?，F(xiàn)在由于人們生活水平的提高，廚房電氣化程度越來越高，電磁爐在我國也逐漸地進入千家萬戶。與其他傳統(tǒng)的加熱廚房用具相比，電磁爐作為高科技的產(chǎn)品，具有許多的優(yōu)點。它既環(huán)保又節(jié)能，被人們稱為“綠色爐具”。一般說來，電磁爐具備以下四個方面的優(yōu)點：(1) 安全衛(wèi)生使用電磁爐烹調(diào)時，無熱、無輻射、無煙、無明氣、無煙塵排放，十分有利于凈化空氣和環(huán)境保護[1]。同時，使用電磁爐也有利于減少火災的發(fā)生。這是因為基于電磁感應的原理，電磁爐自身是不會發(fā)熱的，只有使用鐵質的鍋底才能產(chǎn)生熱量，所以假若在使用電磁爐做飯的過程中，手指不小心的碰到電磁爐，也不會有灼傷的危險。(2) 體積小、重量輕、使用方便電磁爐是全封閉的結構，外面只有一只電源線。使用電磁爐沒有場合的限制，只需要把電源線插到220V的插座上即可使用。電磁爐的用戶界面上有相應的開關鍵和指示燈，操作比較簡單，而且電磁爐內(nèi)部有許多附加的保護電路，任何人都可輕松使用它。(3) 加熱的溫度可以隨意調(diào)節(jié)一般地說，電磁爐的輸入功率在2002000W之間。與其他單一功率的廚房用具相比，可以依據(jù)煎、炒、炸、蒸、煮等選擇合適的功率，并且功率調(diào)節(jié)非常簡單。(4) 熱效率比較高且升溫比較快電磁爐是通過高頻電流經(jīng)過線圈產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場在鐵質的鍋底產(chǎn)生感應電流(渦流)，渦流產(chǎn)生大量的熱量使鐵質鍋底快速發(fā)熱。在這個過程中，不存在熱量的損耗。一般的煤氣爐的熱效率為40％，電爐為52％．而電磁爐為高達83％[2]。有人根據(jù)現(xiàn)在的用電價格與煤氣的價格做過計算，使用電磁爐比用液化氣節(jié)省近三分之一。近年來，國內(nèi)對電磁爐的需求量十分大。它已成為中國市場上比較受歡迎的小家電產(chǎn)品之一。隨著環(huán)保意識和節(jié)能概念深入人心，電磁爐這種既環(huán)保又節(jié)能的廚房烹飪用具的市場潛力是巨大的。電磁爐正處于成長期。粗略地統(tǒng)計，目前國內(nèi)有1000多家廠家把電磁爐作為自己企業(yè)的重點發(fā)展方向，投入大量的資金開發(fā)更智能化的，功能更加齊全的電磁爐。早在1957年德國NEFF公司開始把電磁爐轉為民用。而后，在上世紀70年代美國也進行電磁爐的開發(fā)。到了上世紀的80年代，在西方發(fā)達國家電磁爐的使用率在70%左右。而到了上世紀80年代末，電磁爐才開始進入國內(nèi)市場。雖然電磁爐在90年代初曾經(jīng)經(jīng)歷過一陣猛烈的旋風，但是由于很多廠家急功近利，急于開發(fā)市場，而忽略了電磁爐的技術開發(fā)，片面以價格爭奪市場，導致電磁爐的質量不穩(wěn)定，頻繁地招到消費者的投訴，終于在熱了一陣后走了下坡路[4]。直到上世末期，由于技術的進步，眾多的家用電器的誕生，使電磁爐再次有了新的生機。就目前而言，我國的電磁爐市場比西方的發(fā)達國家至少晚了10年的時間[3]。(1)在1989年，國內(nèi)市場正式開始出售電磁爐（當時國外只有松下產(chǎn)品進入中國市場，但只看不賣）。(2)在此后的兩年內(nèi)，電磁路的銷售掀起一陣狂潮。僅在蘇州、浙江兩地就有將近100種品牌的電磁爐出現(xiàn)。但是由于電磁爐的技術要求相對比較高，而電磁爐的線路設計以及內(nèi)部程序中的保護電路不全面，導致產(chǎn)品質量的不穩(wěn)定，無法正常使用。緊接著有許多品牌的電磁爐基本全軍覆沒，使整個華東地區(qū)造成談爐色變的陰影。(3)從1989年至1997年這十年期間，天馳電磁爐采用大功率管（飛利浦BUT12A）推挽輸出式及多路保護式電路克服了技術上的不成熟（模具結構和通風效果的設計、電子主要件參數(shù)不穩(wěn)定，線路設計及芯片程序保護電路極差），達到恒電流、恒功率的效果。直至大功率集成塊IGBT的成熟，才使電磁爐的性價比得到保障及公眾認可，發(fā)展至今消費趨勢全民看好。(4)目前國內(nèi)真正能就電磁爐產(chǎn)品做到需求調(diào)研→產(chǎn)品對位開發(fā)→產(chǎn)品驗證→成本分析→新品上市→批量制造→售后服務→再完善（工藝、外觀、性能、功能），這樣全過程的生產(chǎn)廠家約有6家（較大部分是靠OEM或白機再包裝又或使用他人的程序方案，對產(chǎn)品的性價比及產(chǎn)品的延伸性具很大的局限性）。 (5)電磁爐產(chǎn)品已進入成熟銷售期，且有走進千家萬戶之勢，市場之大眾所皆知；這樣，大功率及微型電磁爐的需求會猛增，這給電磁爐制造廠家又是一個新課題。在國內(nèi)電磁爐的發(fā)展中會遇到過很多困難，尤其是技術上的瓶頸，比如鍋具的適宜性，不同用電環(huán)境的要求，在攻克這些科技難題時，在技術上得到了豐富和積累，使得產(chǎn)品能夠突破前期市場矛盾，順利進入全國各區(qū)域。縱觀國內(nèi)電磁爐的發(fā)展現(xiàn)狀，可以從以下幾個方面描述:(1)電磁爐品牌眾多目前國內(nèi)電磁爐市場發(fā)展比較混亂。據(jù)調(diào)查，在2001年，國內(nèi)生產(chǎn)電磁爐的廠家還不足百家，生產(chǎn)與電磁爐相關的電子元器件及配套產(chǎn)品的廠家也是少之又少。國內(nèi)銷售比較好的品牌有愛德、富士寶、愛庭、三洋等，而到2003年兩年之內(nèi)，生產(chǎn)電磁爐的廠家多達上千家，而加工生產(chǎn)電磁爐零配件的廠家更是數(shù)不勝數(shù)。國內(nèi)電磁爐行業(yè)競爭十分激烈。 (2)外觀設計各種各樣，結構性能有待提高在電磁爐賣場逛一下，就可以看到電磁爐的外觀設計五花八門，從色彩的搭配到界面的設計，無一不體現(xiàn)著自己的個性。然而這些電磁爐的結構性能比起豐富多彩的外觀設計稍有遜色。(3)零件的使用層次不齊擁有成熟品牌的電磁爐廠家一定會采用性能優(yōu)越的、兼容性強的配件以保證電磁爐擁有更好的、更穩(wěn)定的性能。比如IGBT在電磁爐所有器件中相對比較重要，它的性能的好壞絕對關系著電磁爐能否正常的工作。IGBT一般采用了東芝、西門子，IC芯片采用PHILIPS、東芝以及韓國的，但拆開各品牌的電磁爐就會發(fā)現(xiàn)，主要元器件真是層次不齊，有的竟然連生產(chǎn)廠家都沒有，這樣做，勢必會影響電磁爐的正常發(fā)展。(4)技術上的停滯不前由于國內(nèi)電磁爐尚未完全步入完全的成熟期，就開始了不正常的價格戰(zhàn)，導致各品牌沒有很好地在技術上鉆研，將精力都投放在成本的降低方面，導致技術上一時間內(nèi)沒有稱雄的霸主出現(xiàn)。國外在這類成長期的產(chǎn)品研發(fā)的投入上，少則占總銷售的15%，多則占30%，但國內(nèi)電磁爐品牌能在研發(fā)上投入上百萬的已經(jīng)寥寥可數(shù)了。從2006年起，國內(nèi)電磁爐的需求每年都在增加，據(jù)統(tǒng)計每年的增長率都在10%20%左右。電磁爐這塊大蛋糕吸引了許多生產(chǎn)廠家注意，投入大量的資金開發(fā)電磁爐。其中，各個家電廠家紛紛通過專業(yè)的技術搶占市場。到2008年底，國內(nèi)電磁爐生產(chǎn)廠家已有1000多家。在目前宏觀經(jīng)濟增長緩慢的背景下，電磁爐的銷量在國內(nèi)的家電行業(yè)中卻獨樹一幟。在2008年，國內(nèi)電磁爐的零售量突破5000萬臺。從電磁爐在國內(nèi)開始銷售到2008年，我國電磁爐行業(yè)幾十年來沒有任何的標準可以依靠。從2009年3月1日起，國家開始依據(jù)《家用電磁灶能效限定值及能源效率等級》標準強制實施。這項標準的出臺對電磁爐的發(fā)展有很大的促進作用。目前，我國電磁爐的銷售主要集中在城市，農(nóng)村市場相對較少。近兩年來國家大力扶持農(nóng)民，推出“家電下鄉(xiāng)”政策。隨著這個政策的的進一步實施，電磁爐生產(chǎn)企業(yè)轉戰(zhàn)農(nóng)村市場成為必然趨勢。電磁爐將會被更多的消費者所接受。在未來的幾年內(nèi)，電磁爐可能朝以下幾個方面發(fā)展[17]： (1)外觀設計趨向流線型、超薄型方向發(fā)展隨著電子器件集成度越來越高，電子器件的體積不斷減小，功能不斷地增強，未來電磁爐將越做越小，越做越薄，并有可能出現(xiàn)微型電磁爐。(2)功率越做越大，市場越分越細隨著微處理器引入電磁爐的控制系統(tǒng)，智能控制理論的應用，以及微處理器的日趨強大。電磁爐許多原來無法實現(xiàn)的功率都能一一實現(xiàn)，比如煮飯、煲湯、自動烹調(diào)等，都可以實現(xiàn)自動劃、智能化，真正實現(xiàn)煎、炸、燉、煮、炒。20022003年，市場上炒得比較火爆的是“一鍵通”、“智能化”，其實目前真正能做到全智能化還需要一段時間。(3)多功能復合型電磁爐將成為新的廚房主流電器由于電磁爐的安全、清潔、無火、無煙等特點，必將引導廚房革命進入無煙時代，這個理念已經(jīng)被很多人接受，而在五年內(nèi)，電磁爐取代煤氣爐已經(jīng)是順理成章的事了。多功能復合型電磁爐將會越來越被廣大消費者接納。(4)電磁爐鍋具的多樣性和適用性目前電磁爐僅能使用帶導磁性質的鐵質材料，這極大地限制了電磁爐的使用范圍，隨著電磁爐技術的進一步發(fā)展，以及電磁爐工作頻率的提高，使鋁質鍋具、銅質鍋具、甚至其他材料的鍋具亦成為可能。2003年，國內(nèi)部分品牌成功地實現(xiàn)了鋁鍋、玻璃鍋、陶瓷鍋在電磁爐上的使用，是一個很好的開始。隨著技術的不斷提高，電磁爐將打破諸多限制，在鍋具的使用上朝多樣性和適用性方向發(fā)展。. 本課題的主要內(nèi)容本文設計的電磁爐是民用的小功率的廚房電氣設備。主要內(nèi)如下： (1)簡單介紹了研究電磁爐的背景，描述了國內(nèi)電磁爐的發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，提出了電磁爐發(fā)展趨勢。(2) 感應加熱是利用電磁感應的原理使電能轉變成熱能。電磁爐就是基于這個原理設計的。電磁爐加熱的原理：當線圈中通過高頻電流時，線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場，在高頻交變磁場的作用下，鐵質鍋底中產(chǎn)生強大的渦流，鍋底迅速釋放出大量的熱量，達到加熱目的。(3)受海爾廠家的委托設計滿足其要求的電磁爐。在本文的第四章和第五章分別對電磁爐的硬件和軟件進行設計。(4)簡單介紹了電磁爐的可能出現(xiàn)的主要的故障和平時使用注意事項。第二章 電磁爐感應加熱原理2..1概述