【正文】 pared with traditional rice cooker that adopts resistance heating, induction rice cooker has many superior advantages and thus has high research values and social significance. After a long period running test, the control system functions well and runs stably and reliably.Keywords: electromagnetic induction heating, fuzzy control, switching power supply, induction rice cooker, electromagnetic patibility 目 錄第一章 緒論 1 1 課題背景 1 課題研究的目的及意義 1 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 2 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 3 課題來源與研究的主要內(nèi)容 4第二章 電磁感應(yīng)加熱原理及其在電飯煲中的應(yīng)用 5 電磁感應(yīng)加熱原理 5 電磁感應(yīng)加熱原理 5 6 電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路的組成 7 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析 8第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用 11 11 11 12 12 13 14 17第四章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì) 19 電磁電飯煲控制系統(tǒng)硬件電路整體性設(shè)計(jì) 19 MCU 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 單片機(jī) MC9S08AW32 簡介 20 單片機(jī) I/O 口資源分配 20 單片機(jī)電源、復(fù)位、晶振電路 21 顯示電路和鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) 21 開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 23 同步電路的設(shè)計(jì) 24 側(cè)面和頂蓋加熱電路的設(shè)計(jì) 25 浪涌保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 26 鍋底、頂蓋和 IGBT 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 26 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì) 27 IGBT 控制電路的設(shè)計(jì) 28第五章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 程序總體架構(gòu)設(shè)計(jì) 29 液晶顯示子程序流程圖 30 按鍵掃描程序流程圖 31 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 32參考文獻(xiàn) 34附錄1 36附錄2 51致謝 63天津工業(yè)大學(xué)2011屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第一章 緒論 課題背景電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場(chǎng)之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)定律為人們進(jìn)行電、磁能量轉(zhuǎn)化的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)焦耳定律，當(dāng)導(dǎo)體中存在感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱。比較常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)人員會(huì)用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步比較晚，所以電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也落后于國外很多。國內(nèi)在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的為浙江大學(xué)，但是離國外先進(jìn)技術(shù)還有相當(dāng)距離。據(jù)研究資料顯示，煤的熱效率約為12~20%，液體燃料的熱效率約為20~40%，氣體燃料的熱效率約為50~60%,而電磁加熱產(chǎn)品由于其電磁感應(yīng)加熱原理，通過交變的電磁場(chǎng)直接作用于被加熱的鍋底產(chǎn)生渦流，導(dǎo)體的熱效應(yīng)使鍋底迅速發(fā)熱，由于不需要熱傳遞其熱效率高達(dá)90%以上，并且發(fā)熱速度快。電磁感應(yīng)加熱方式既節(jié)約了電能，又節(jié)省了時(shí)間。(2)加熱效率高，速度快，可以減少表面氧化現(xiàn)象。(4)可實(shí)現(xiàn)局部加熱。(6)可減少占地、熱輻射、噪音和灰塵。而電磁電飯煲是一種新型的廚房電器，由于采用了電磁感應(yīng)加熱方式，煮飯速度快，米飯口感好，正在逐步得到人們的青睞。市場(chǎng)上可供選擇的電磁電飯煲品種較少，價(jià)格昂貴，市場(chǎng)份額還相對(duì)來說還比較小。國內(nèi)市場(chǎng)上只有少數(shù)知名廠商能夠生產(chǎn)電磁電飯煲，但其控制系統(tǒng)基本上是以進(jìn)口為主，而且價(jià)格高昂，不進(jìn)行電磁加熱技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開發(fā)，就必然在日益激烈的家電廚具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。伴隨著國家應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境保護(hù)問題的呼聲越來越高，同時(shí)電磁技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展為電磁加熱技術(shù)的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)，應(yīng)用電磁技術(shù)的家電產(chǎn)品必將走向更加廣闊的市場(chǎng)。 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀當(dāng)前電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用充分體現(xiàn)在電磁爐產(chǎn)品的快速發(fā)展過程中，2003年電磁爐的市場(chǎng)擁有量為600萬臺(tái)，2004年已經(jīng)發(fā)展到1200萬臺(tái)以上，到2007年已超過3000萬臺(tái)的市場(chǎng)規(guī)模，據(jù)多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來三年左右市場(chǎng)總的保有量將超過一億臺(tái)，市場(chǎng)將逐步趨向飽和，年銷售量將穩(wěn)定在3500萬臺(tái)左右。從技術(shù)的角度分析，現(xiàn)在市場(chǎng)上的電磁爐產(chǎn)品，雖然發(fā)展速度很快，但還處于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用的初級(jí)階段，特點(diǎn)是：電路形式簡單，產(chǎn)品功率不大，連續(xù)功率調(diào)節(jié)范圍窄(特別是低功率時(shí))以及外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(特別是風(fēng)道設(shè)計(jì))大同小異等。由于煮出來的飯松軟可口，所以又稱之為煮飯效果均勻的電飯煲。電磁熱水器的熱效率在95%以上，體積小、重量輕，工作時(shí)無任何噪音，自動(dòng)化控制程度非常高并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控。鋁箔封口機(jī)，電子高壓滅菌器，熱裝式夾緊系統(tǒng)都在不同程度上使用了感應(yīng)加熱技術(shù)，不僅安全，而且提高了工作效率。隨著市場(chǎng)對(duì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的深入研究，它必將會(huì)對(duì)我們的生產(chǎn)，生活等諸方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)而積極的影響。隨著功率器件的大容量化和高頻化，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也向大容量化和高頻化發(fā)展。綜合起來，今后電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電領(lǐng)域的應(yīng)用將帶有鮮明的時(shí)代特征，具有以下三大特點(diǎn)：智能化、低成本、環(huán)保型。智能技術(shù)實(shí)質(zhì)上是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和傳感技術(shù)等科學(xué)理論于一身的高自動(dòng)化技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)、高性能半導(dǎo)體和先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟并且其應(yīng)用范圍從工業(yè)領(lǐng)域向家電領(lǐng)域迅速擴(kuò)展?？梢灶A(yù)料，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用將如制冷技術(shù)(冰箱、空調(diào))等一樣發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。與電磁爐使用頻率低(消費(fèi)者常用來燒水或者打火鍋)、只能作為輔助炊具相比，多功能電磁電飯煲完全可以代替電飯煲和燃?xì)庠?，由輔助飲具向主導(dǎo)飲具發(fā)展，成為現(xiàn)代化的廚房中不可缺少的炊具。因此，研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁電飯煲控制系統(tǒng)具有較高的理論意義和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本課題的主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： (1)理論上分析電磁感應(yīng)加熱原理，推導(dǎo)出影響電磁感應(yīng)加熱功率的因素。(2)理論上分析模糊控制理論及其在電磁電飯煲控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。(3)進(jìn)行電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括MCU系統(tǒng)、主加熱電路、顯示電路和按鍵掃描電路、開關(guān)電源電路、同步電路和各種保護(hù)電路等并且對(duì)各電路進(jìn)行功能及工作過程分析。(4)進(jìn)行電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)功能的程序開發(fā)。(5)分析電磁電飯煲控制系統(tǒng)的電磁兼容問題，提出解決電磁干擾的具體措施并進(jìn)行驗(yàn)證。電磁感應(yīng)加熱是法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用。 電磁感應(yīng)加熱原理電磁感應(yīng)加熱包含兩方面的要素：焦耳定律和電磁感應(yīng)原理及其三個(gè)效應(yīng)，包括集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。金屬工件具有電阻值，根據(jù)焦耳定律，渦流在金屬工件上產(chǎn)生大量的熱量，從而使金屬工件迅速發(fā)熱。圖21是變壓器的基本形式，次級(jí)線圈電流值I2與初級(jí)線圈電流值I1之比等于初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)之比。圖23是一個(gè)基本的電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示意圖，包括電磁感應(yīng)初級(jí)線圈，次級(jí)負(fù)載和交變的電源。圖3中，初級(jí)線圈為一長直螺線管，在長直螺線管的內(nèi)部放置有一根圓柱形的導(dǎo)體。圓柱形導(dǎo)體位于螺線管的中心部位，在其內(nèi)部感應(yīng)出渦流，并且渦流在導(dǎo)體的表面聚集，電流密度隨離表面的深度增加而變小。 圖21 變壓器等效電路 圖22 次級(jí)短路圖23 電磁感應(yīng)加熱示意圖在電磁電飯煲中，采用銅線特制的圓形線盤作為感應(yīng)線圈。根據(jù)MAXWELL電磁方程式，交變磁通量φ和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小為：?=BS(21)dedt?=?(22)式中φ——總磁通量；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；S——線圈截面面積；e——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)；d——通過感應(yīng)線圈磁通量的變化率(Wb/s)由于整個(gè)圓形線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以看成是若干個(gè)不同半徑的通電感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和，以上分析得到的半徑為R的感應(yīng)線圈在鍋底底部產(chǎn)生的加熱功率的規(guī)律同樣適用于整個(gè)圓形線圈。因此，增大電磁電飯煲功率方法除了使用高導(dǎo)磁率的鍋具外，可以提高感應(yīng)線圈中交變電流的電流值及其頻率。導(dǎo)體表面的電流密度會(huì)大于中心的電流密度，最大的電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流聚集于表面的現(xiàn)象叫做集膚效應(yīng)。 圖24 集膚效應(yīng)示意圖 當(dāng)交流電流通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的外部和內(nèi)部都建立了磁場(chǎng)，磁力線的形狀是導(dǎo)體的中心為圓的同心圓，因?yàn)殡娏魇墙蛔兊?，磁?chǎng)也是交變的，顯然與導(dǎo)體表面部分相交的磁力線，比與導(dǎo)體內(nèi)部所交連的磁力線要少，于是導(dǎo)體中心部分的自感電動(dòng)勢(shì)，或者說，中心部分的電感和阻抗大于表面部分的電感和阻抗。電流頻率越高，自感電動(dòng)勢(shì)的作用越強(qiáng)，集膚效應(yīng)也越顯著。 (2)鄰近效應(yīng) 相鄰兩導(dǎo)體通以交流電流時(shí)，在相互影響下導(dǎo)體中的電流要重新分配，當(dāng)兩電流方向相反時(shí)，電流聚于導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩電流方向相同時(shí)，電流聚于導(dǎo)體外側(cè)。兩導(dǎo)體之間的磁通不僅通過空氣，而且也通過導(dǎo)體內(nèi)部，顯然到體外側(cè)比內(nèi)側(cè)流密度較內(nèi)側(cè)為小。(3)圓環(huán)效應(yīng) 若將交流電流通過圓環(huán)形螺管時(shí)，則最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。 電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路的組成電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路是主要由交流電源、橋式整流電路、高頻電壓轉(zhuǎn)換器和感應(yīng)線圈等構(gòu)成的交流直流交流轉(zhuǎn)換電路。市電的交流電源經(jīng)過橋式整流器整流和濾波電路濾波后，變換為直流電，再經(jīng)高頻電壓逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率為25KHz左右的高頻交流電送入感應(yīng)線圈中。電磁電飯煲鍋具置于高頻交變的磁場(chǎng)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及其三個(gè)效應(yīng)，在電飯煲鍋具底部表面產(chǎn)生大量渦流。圖25 電磁感應(yīng)加熱電路的組成 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析根據(jù)選定的并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)電磁電飯煲的主加熱電路結(jié)構(gòu)如圖26所示。通過脈寬調(diào)制方波控制功率開關(guān)管IGBT1按一定的頻率進(jìn)行開合而使并聯(lián)諧振電路工作，通過感應(yīng)線圈的高頻、高壓的交變電流在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出高頻交變的磁場(chǎng)，使位于磁場(chǎng)內(nèi)的電磁電飯煲鍋具底部感應(yīng)出渦流而發(fā)熱。圖中，Rs和Ls分別是感應(yīng)線圈的串聯(lián)等效模型的電阻值和電感值，C2是補(bǔ)償電容，Ud是交流電壓經(jīng)整流、濾波后的直流電壓，功率開關(guān)管IGBT1內(nèi)部含有1個(gè)快速恢復(fù)二極管。IGBT1采用Infineon公司的IHW30N120R2型號(hào)，其集電極和發(fā)射極耐壓值UCE達(dá)1200V，集電極可通過電流30A，可以滿足控制系統(tǒng)的需要。電壓逆變電路將經(jīng)整流、濾波后的直流電壓變換為流經(jīng)感應(yīng)線圈的高頻振蕩的交流電，從而在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出與振蕩電流同頻率的磁場(chǎng)。當(dāng)時(shí)間t1~t2時(shí)，當(dāng)脈寬調(diào)制方波PWM的高電平加至IGBT1的G極時(shí)，IGBT1飽和導(dǎo)通，電流i1從電源流過Ls。同樣，由于感應(yīng)線圈的感抗作用，i1不能立即變0，于是向補(bǔ)償電容C2充電，產(chǎn)生充電電流i2。此時(shí)，在IGBT1的C、E極間出現(xiàn)的電壓實(shí)際為逆程脈沖電壓加上電源電壓，其值可達(dá)1100V。因感應(yīng)線圈具有感抗作用，i3不能立即變?yōu)?，于是Ls兩端電動(dòng)勢(shì)反向，即Ls兩端電位左正右負(fù)。在t4到t5時(shí)間內(nèi)，第二個(gè)脈沖開始到來，但這時(shí)IGBT1的Ue為正，Uc為負(fù)，處于反偏激狀態(tài)，所以IGBT1不能導(dǎo)通。因此在感應(yīng)線圈上就產(chǎn)生了和開關(guān)脈沖頻率f(20KHz~30KHz)相同的交流電流。圖28 電壓逆變電路波形示意圖第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用經(jīng)過長期研究和實(shí)踐形成的經(jīng)典控制理論，對(duì)于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，而對(duì)于非線性時(shí)變系統(tǒng)難以奏效。但是，無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與此相反，對(duì)于許多難以建立精確模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的被控對(duì)象，富有經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行模糊推理、判斷和調(diào)節(jié)來控制，可以得到滿意的效果。1965年，著名的控制論專家美國加州大學(xué)扎德教授創(chuàng)立了模糊集合論，提出用“隸屬函數(shù)”的概念來描述現(xiàn)象差異中的中間過渡，并指出一個(gè)模糊變量不能唯一賦值，而是應(yīng)包含多個(gè)取值成分，且可用一個(gè)模糊集合來完整地表征。模糊自動(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。簡單模糊控制階段指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上把控制器上的推理過程處理成模糊控制表，這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單并且容易實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PID控制相比不僅反應(yīng)速度更快、對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對(duì)象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時(shí)也能獲得較好的控制效果。模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，其系統(tǒng)組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，只是以模糊控制器取代了傳統(tǒng)的數(shù)字控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。(2)輸入/輸出接口裝置輸入/輸出接口將從主控單片、被控對(duì)象處獲得的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，并輸出到模糊控制器。輸入/輸出接口將獲得的數(shù)字控制信號(hào)量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。被控對(duì)象可以是缺乏精確的數(shù)學(xué)模型的，也可以是有比較精確的數(shù)學(xué)模型的對(duì)象。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。因此，在選擇傳感器時(shí)應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。這種程序一般包括兩個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)或單板機(jī)離線計(jì)算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運(yùn)算。模