【正文】 參考文獻[1] 全亞杰. . 2001,31(11):3~6[2] 吳智慧. . 1994, (6): 30~37[3] 熊臘森, 全亞杰. . 1999, 29(12): 20~23[4] 王軍元. 現(xiàn)代電磁爐的優(yōu)勢性能及技術(shù)展望. 現(xiàn)代家電. 2002,(3):59~60[5] Vatche Vorperian. Simplified Analysis of PWM Converters Using Model of PWM Switch. IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS. 1990,5:490~496[6] , , . Mathethematical and Computer Modelling of Induction Heating and Consequent Hardening 。 (3) 軟件“看門狗”技術(shù) 為防止失控的程序進入“死循環(huán)”，采用了“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。 (2) 攔截技術(shù) 所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進行出錯處理。因此，程序在關(guān)鍵地方插入了一些單字節(jié)指令，如在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的空指令。當(dāng)單片機受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e。按鍵掃描流程圖如圖 55 所示。本課題設(shè)計中有四個功能按鍵，依次為開/關(guān)機按鍵、功率增加按鍵、功率減少按鍵和模式選擇按鍵。液晶顯示的流程圖如圖 54 所示。HT1621 驅(qū)動液晶常開字符顯示，然后判斷是否有按鍵標(biāo)志有效。圖51 開關(guān)機轉(zhuǎn)換流程圖圖52 開機程序流程圖 液晶顯示子程序流程圖液晶顯示電路的設(shè)計中使用了臺灣盛群(HOLTEK)公司推出的 128 段內(nèi)置存儲器的多功能驅(qū)動器 HT1621，可以驅(qū)動多段 LCD 字符，構(gòu)成 LCD 顯示模塊和顯示系統(tǒng)。當(dāng)煮飯程序結(jié)束時，關(guān)機處理。定時中斷服務(wù)程序執(zhí)行鍵盤掃描，當(dāng)選定工作模式為“煮飯”時，主程序調(diào)用煮飯子程序。開機循環(huán)處理程序是實現(xiàn)電磁電飯煲的煮飯功能的最主要的部分。當(dāng)關(guān)機處理程序判斷“開/關(guān)機”按鍵按下時，程序設(shè)定開關(guān)機狀態(tài)標(biāo)志位 Power Flag=1，即為開機狀態(tài)，主程序進入開機循環(huán)處理程序。關(guān)機狀態(tài)時，“開/關(guān)機”狀態(tài) LED 指示燈閃爍表示系統(tǒng)處于上電狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)上電時，單片機復(fù)位并進行輸入/輸出端口的初始化、寄存器初始化、中斷服務(wù)程序初始化和鍵盤掃描初始化。根據(jù)電磁電飯煲控制系統(tǒng)有開機和關(guān)機狀態(tài)的區(qū)別，主程序循環(huán)包括開機程序循環(huán)處理和關(guān)機程序循環(huán)處理。主程序循環(huán)執(zhí)行，用于功率控制處理、檢測電路數(shù)據(jù)處理、實時顯示數(shù)據(jù)處理、煮飯程序處理、風(fēng)扇驅(qū)動、蜂鳴器鳴響和報警處理等。當(dāng) V7大于 V6時，V8為高電平信號，IGBT1導(dǎo)通。V7表示 PWM 經(jīng) CC2濾波后得到的電壓值，接比較器 U1A的正輸入端。圖412 IGBT控制電路 圖 416 中，通過改變 IGBT1的導(dǎo)通時間來改變加熱功率，即改變 V8的占空比，V8的占空比決定于 PWM 信號的占空比。圖411 風(fēng)扇控制電路 IGBT 控制電路的設(shè)計如圖 412 所示為 IGBT 控制電路圖，Q1與 Q2組成互補對稱功率放大電路。如圖411所示為風(fēng)扇驅(qū)動控制電路。圖410 溫度檢測電路 風(fēng)扇驅(qū)動控制電路的設(shè)計由于電飯煲工作時，從頂蓋通過大量的水蒸氣，使得頂蓋的電熱絲很容易氧化生銹，因此在頂蓋設(shè)置一個由 18V 直流電壓驅(qū)動的風(fēng)扇。當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻的阻值會減少，采樣電壓值升高并送給單片機的模、數(shù)轉(zhuǎn)換口，從而實現(xiàn)溫度 A/D 采樣控制，達到進行溫度檢測和控制的目的。根據(jù)電磁電飯煲結(jié)構(gòu)的需要，鍋底和頂蓋處負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器由連接線連接到插座CN1和CN2。如圖 410所示為 IGBT、頂蓋和鍋底溫度檢測電路。 圖48 上電浪涌保護電路 圖49 系統(tǒng)運行浪涌保護電路 鍋底、頂蓋和 IGBT 溫度檢測電路的設(shè)計IGBT 是發(fā)熱量比較大的元器件，需要檢測其溫度以保證其在溫度過高時關(guān)斷，使控制系統(tǒng)工作安全。系統(tǒng)正常工作時，電壓比較器的正輸入端電壓大于負(fù)輸入端，比較器輸出端開路，浪涌檢測為高電平。如圖 49為系統(tǒng)運行時防浪涌電壓電路圖。上電時 Q1導(dǎo)通，浪涌檢測端拉低，使 IGBT1不能導(dǎo)通。圖47 側(cè)面和頂蓋加熱電路 浪涌保護電路的設(shè)計 當(dāng)上電或電網(wǎng)中有浪涌沖擊時，IGBT1可能由于電流過大而燒壞，由于電壓沖擊速度很快，單從軟件控制上進行保護無法預(yù)防浪涌電壓，所以設(shè)計了上電防浪涌電壓和系統(tǒng)運行時防浪涌電壓的硬件保護電路。Us 是交流電源經(jīng)全波整流、濾波后的直流電壓。如圖 47是側(cè)面和頂蓋加熱電路。以上動作過程，保證了 IGBT1驅(qū)動信號的上升沿與諧振電路的諧振電壓 Uc 的零點在 t4時刻保持同步。諧振電路沒有輸出，也就沒有驅(qū)動脈沖加至 IGBT1的 G 極，保證了 IGBT1在 t2~t4時間不會導(dǎo)通。在高頻電流的一個周期的 t2~t4時間段 ,由于補償電容兩端電壓為左負(fù)右正，即V2 V1，U1B輸出高電平，C4充滿電后右側(cè) V4為高電平。 圖 46中，VV2分別為由補償電容 C2左、右兩端由高阻抗電阻 RR2引出的同步電壓信號。同步電路中的比較器 U1A和 U1B是 LM339 芯片的一部分。為防止功率開關(guān)管 IGBT1在集電極電壓過高時導(dǎo)通而燒壞，必須在每個諧振周期的 t4時刻或其附近給出 IGBT1的啟動信號，這就要求 IGBT1驅(qū)動電壓信號的上升沿與諧振電路的諧振電壓 Uc 的零點在 t4時刻保持同步。+18V 電壓經(jīng)過 R6限流和 CC7濾波后進入三端穩(wěn)壓器 L7805，輸出電壓經(jīng) CC9濾波后得到穩(wěn)定的+5V。Ud是交流電源經(jīng)過全波流和電容、電感濾波后得到的直流電壓。圖45 開關(guān)電源電路開關(guān)電源電路中采用 PI 公司的 TNY278 芯片，其內(nèi)部集成了一個 700V 的功率 MOSFET、振蕩器、高壓開關(guān)電流源、電流限流及熱關(guān)斷電路，采用開/關(guān)控制方式來穩(wěn)定輸出電壓，功率輸出范圍比較大，可以獲得精確的穩(wěn)壓精度及出色的瞬態(tài)響應(yīng)特性。開關(guān)電源和線性電源相比，具有線性電源不可比擬的優(yōu)點。 開關(guān)電源的設(shè)計 開關(guān)電路的原理是由開關(guān)管和脈寬調(diào)制 PWM 控制芯片構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生高頻脈沖。通過編程，采用定時中斷掃描按鍵狀態(tài)的方法來監(jiān)控按鍵模塊，通過液晶和 LED 實時顯示。此時，若其中一個為低電平狀態(tài)，則判斷該按鍵按下。圖 44 中，四個按鍵和四個 LED 共用四個 I/O 端口，采用分時復(fù)用的方法來控制?！癉ATA”是串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，“讀/寫”數(shù)據(jù)和“寫”命令通過“DATA”進行。本設(shè)計采用的 LCD1模塊有 4 個公共端口和 10*4 個段碼，采用 5V 電壓供電。顯示電路和鍵盤掃描電路主要包括液晶顯示模塊、發(fā)光二極管、液晶驅(qū)動芯片 HT1621 和按鍵模塊以及電阻、電容元器件等，如圖 43所示為液晶顯示電路，圖 44 為 LED 顯示和鍵盤掃描電路。圖42 單片機電源、復(fù)位、晶振電路 顯示電路和鍵盤掃描電路的設(shè)計顯示電路和鍵盤掃描電路是電磁電飯煲控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過液晶顯示模塊(LCD，Liquid Crystal Display)和發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)將其工作狀態(tài)和時間等重要信息顯示出來，用戶根據(jù)這些信息通過鍵盤掃描電路來下達操作指令到單片機進行處理，從而實現(xiàn)對電磁電飯煲功能的控制。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號，進入正常工作，復(fù)位電路芯片采用S80823芯片。 單片機電源、復(fù)位、晶振電路單片機系統(tǒng)的電源電路、復(fù)位電路、晶振電路是控制系統(tǒng)的輔助電路部分，它們分別提供系統(tǒng)單片機工作所需電源，保證系統(tǒng)可靠復(fù)位和提供穩(wěn)定的時鐘頻率，如圖42所示。(5) 輸出控制 I/O 口 第 8 腳和第9腳分別用于鍋頂風(fēng)扇和鍋底風(fēng)扇控制，防止鍋頂濕度太大和 IGBT 溫度過高；第 10 腳輸出 PWM 波形，用于加熱功率控制；第 12 腳和第 13 腳分別用于頂層和側(cè)面電熱絲加熱控制；第 44 腳用于蜂鳴器控制。(3) 按鍵掃描 I/O 口 第 4 腳至第7腳用于按鍵掃描電路。 單片機 I/O 口資源分配單片機 MC9S08AW32 的 I/O 口資源分配如下：(1) 單片機電源、晶振、復(fù)位 I/O 口 第3腳接復(fù)位電路；第 17 腳、第29 腳、第34腳接+5V 電源；第 16 腳、第 30 腳、第 35 腳、第 39 腳接地；第37 腳和第38腳接晶振電路。(4) 輸入/輸出端口 具有數(shù)量豐富的輸入/輸出端口；用作輸入端口時，端口處可軟件選擇上拉；用作輸出端口時，端口處可軟件選擇驅(qū)動力。 (2) 多種系統(tǒng)保護 可選的看門狗復(fù)位；具有復(fù)位或中斷功能的低壓檢測；具有功率節(jié)省模式等待及兩種停止模式。即使在各類惡劣環(huán)境下，MC9S08AW32亦可達到極佳的EMC性能。根據(jù)電磁電飯煲結(jié)構(gòu)的需要，將電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件分為兩部分，分別為電源板和控制板，兩板通過連接線來通訊。開關(guān)電源電路可輸出+18V 和+5V 直流電源，為單片機和電路中的各 IC 提供工作電源。鍋底和頂蓋溫度檢測電路為模糊控制器提供輸入量，來完成控制系統(tǒng)的模糊控制。為了防止 IGBT 因電壓浪涌而損壞，設(shè)計了防浪涌保護電路，對控制系統(tǒng)進行硬保護。將并聯(lián)諧振電路兩端的電壓信號取樣作為同步信號輸送給同步電路，同步電路輸出的初級驅(qū)動信號輸送給IGBT 的驅(qū)動電路，最后由IGBT的驅(qū)動電路將初級驅(qū)動信號整形和濾波后輸送給主電路。主電源主加熱電路輔助電源IGBT驅(qū)動電路電流檢測散熱系統(tǒng)報警電路IGBT溫度檢測同步電路鍋底溫度檢測LCD,LED顯示按鍵掃描蓋頂溫度檢測微控制器MC9S08AW32功率調(diào)節(jié)PWM脈寬調(diào)制圖41 電磁電飯煲控制系統(tǒng)框圖 本控制系統(tǒng)采用Free scale的單片機 MC9S08AW32 作為控制核心，硬件系統(tǒng)包括 MCU 系統(tǒng)、主電路模塊、顯示模塊和按鍵掃描模塊、開關(guān)電源模塊、IGBT 驅(qū)動模塊、IGBT 及鍋底和頂蓋溫度檢測模塊、蜂鳴器模塊等。運用與恒溫控制相同的方法，只是給定的溫度值具有一定的變化率，在此不再贅述。對于判斷出的由“非常少”到“非常多”的七種米量，采用占空比 30%到 90%的 PWM。依據(jù)與米量的模糊推理相同的方法，可得出恒溫模糊控制的推理表，如表 32所示。在溫度模糊控制中，把溫度偏差 e 和偏差變化率 Δe 都分成負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(O)、正小(PS)、正大(PB)五個模糊量，而把單片機輸出的 PWM 信號的占空比分成為 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%等 9 個檔位，溫度模糊控制系統(tǒng)框圖如圖 38所示。溫度模糊控制系統(tǒng)的輸入量為溫度偏差 e 和溫度偏差變化率 Δe，由溫度模糊控制推理表確定 PWM 信號的占空比來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達到溫度控制的目的。恒溫控制主要用于沸騰和保溫階段，勻速升溫控制主要用于吸水階段和加熱階段。整數(shù)論域范圍內(nèi)的變量 z( 3 ≤ z≤ 3)與相對應(yīng)的基本論域中的變量 x(200 ≤ x≤ 1000)的對應(yīng)關(guān)系為： 溫度控制模糊推理模糊控制電磁電飯煲煮飯過程的各個階段的溫度控制采用模糊控制的方式。表31本課題中，基本連續(xù)論域離散化采用均勻量化的方法，即將連續(xù)論域中的連續(xù)值經(jīng)量化因子比例變換后四舍五入變?yōu)殡x散論域的整數(shù)值。在本課題中，借助 MATLAB Fuzzy Logic工具箱，將模糊推理規(guī)則輸入到二維模糊推理器，可以得到模糊控制規(guī)則觀察器，將 49 種輸入組合依次輸入到觀察器中，可以計算出米量的模糊推理表，如表 31所示，表中 X、Y、Z 分別代表鍋底頂蓋溫度差、鍋底溫度變化率和米量的整數(shù)論域。因此，鍋底和頂蓋溫度差與鍋底溫度變化率的輸入組合就有 49 種。(3) 米量測定的模糊推理 如上分析，鍋底、頂蓋溫度差 E 的離散整數(shù)論域有7個元素，鍋底溫度變化率 EC 的離散整數(shù)論域都有7個元素。在程序開始運行時，由頂蓋溫度傳感器測出室溫，由鍋底溫度傳感器測出初始水溫，隨后進入煮飯過程的吸水階段。鍋底和頂蓋的溫度由安放于鍋底和頂蓋的溫度傳感器來測量，溫度傳感器由熱敏電阻組成，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量送給單片機，作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量。當(dāng)室溫一定時，鍋底和頂蓋的溫度差及其鍋底溫度的變化率就主要由米量來決定。取米量 Q 的隸屬函數(shù)與鍋底溫度變化率 EC 的隸屬函數(shù)相同，如圖 38 所示。設(shè)定米量 Q 的基本論域為[200g,1000g]，對米量 Q 的模糊集及其整數(shù)論域定義如下：米量 Q 的模糊集 C= {NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，分別代表米量“很少，中少，少，中，多，中多，很多”。EC 的隸屬函數(shù)曲線選擇常用的三角形隸屬函數(shù)，如圖 37所示。由于溫度變化具有非線性的特點，E 的隸屬函數(shù)曲線選擇常用的高斯隸屬函數(shù)，如圖 36 所示。根據(jù)實際經(jīng)驗可知鍋底和頂蓋溫度差 E 的基本論域為[0℃,70℃]，對鍋底和頂蓋溫度差的模糊集及其整數(shù)論域定義如下：E 的模糊集為 A={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB} ，含義分別為“負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大”，代表鍋底和頂蓋溫度差 E 從小到大依次變大。蓋頂溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換鍋底溫度變化率鍋底，頂蓋溫度差模糊邏輯規(guī)則表蓋頂溫度傳感器模糊化米量圖35