基于Cypress PSoC芯片的被加熱物溢出檢測方案

電磁爐以其特有的加熱方式，高效的工作特點，便捷的操作方式，越來越受到市場的青睞。但是隨著用戶數(shù)量的增長，越來越多的安全問題受到了大家的關注。電磁爐屬于高功率發(fā)熱產(chǎn)品，在使用過程中存在著不安全因素，所以安全設計是目前電磁爐廠家需要考慮問題。

在電磁爐的使用過程中，鍋具中的被加熱物可能由于意外或者沸騰溢出，這會造成潛在的一些危險并損害爐具或傷害使用者。當使用電容感應方式觸摸按鍵的電磁爐時，被加熱物溢出還可能造成電磁爐按鍵的誤動作，這給使用者帶來極大的危險。本文介紹了一種基于Cypress PSoC芯片的被加熱物溢出檢測方法，能夠有效地判斷是否有加熱物溢出，防止此類危險的發(fā)生。

1. 溢出檢測的原理

被加熱物溢出檢測電路主要由一個處理器和一個或數(shù)個電容傳感器組成。電容傳感器由金屬或其他導電材料構成，一般被安裝在爐具面板的下方，接入到處理器。處理器通過采集傳感器上信號的變化來判斷是否有被加熱物溢出。如果檢測到加熱物溢出，處理器通知主控系統(tǒng)關閉，達到安全使用的功能。此被加熱物溢出檢測電路可以融合在電磁爐的主控制電路中，也可以采用獨立的控制器件或者其它分立器件電路實現(xiàn)。

圖1 ，傳感器和處理器連接示意圖

本設計使用電容傳感器作為溢出檢測的傳感器。它安裝在電磁爐表面的下方，引到處理器的輸入管腳，如圖1所示。在PCB板上放置一塊銅箔作為電容傳感器，并將這個傳感器引入到PSoC CY8C22x45處理器的一個輸入端。正常工作時面板上沒有水，電容傳感器感應出的電容是分布電容Cp。從處理器輸入端觀察，此時采集到的等效感應電容Cx即是Cp。對于固定設計其分布電容的數(shù)值也是相對固定的，包含很多耦合路徑的寄生電容。如果有溢出物覆于電容傳感器上，傳感器則增加了一個對地的耦合路徑產(chǎn)生的電容Cf，那么等效感應電容Cx數(shù)值隨之增大。因此通過測量等效感應電容Cx的變化可以間接測量到Cf的變化，從而檢測到爐具面板上是否有液體溢出。

2. 電容檢測的方法

檢測電容的方法有很多，主要是利用電路將電容值轉(zhuǎn)換為頻率值或者電壓值進行測量。主要的方法有以下幾種：松弛振蕩電路電容檢測，逐次逼近電容檢測方法，Delta-Sigma電容檢測方法。Cypress能夠針對以上的方法提供全面的解決方案。以下針對此三種方法給以簡單的原理介紹。

·松弛振蕩電容檢測方法

圖2是采用松弛振蕩電路用于檢測電容相對變化，通過測量振蕩電路的振蕩周期從而確定電容的相對變化。振蕩電路的基礎是電阻R和感應電容Cx，另外有兩個比較器和一個觸發(fā)器共同構成松弛振蕩電路。當觸發(fā)器的 輸出高電平時，通過電阻R對Cx充電，Cx的電壓隨之升高，當電平超過參考電壓1時， 輸出低電平。而后，電容Cx通過電阻R進行放電，Cx的電壓隨之降低，當電平低于參考電壓2時， 輸出高電平。振蕩電路進入下一個周期。在觸發(fā)器的輸出端，可用定時器測量振蕩電路的周期。當Cx變化時，振蕩周期也隨之改變。通過測量振蕩周期的相對變化，可間接測量到感應電容的相對變化。

圖2 ，松弛振蕩電容檢測方法

·逐次逼近電容檢測方法

圖3是逐次逼近式檢測電容的原理框圖。使用恒流源對被測電容進行充電，同時將被測電容的一端接入比較器的輸入。開始時，Cx兩端的電壓小于Vref，比較器輸出高，計數(shù)器開始計數(shù)。當Cx的電壓大于Vref時，比較器輸出低，停止計數(shù)。此時，計數(shù)器的數(shù)值反映了Cx的充電時間。使用相同的恒流源，不同的Cx能夠產(chǎn)生不同的計數(shù)器數(shù)值。所以，通過計數(shù)器數(shù)值的變化能夠檢測感應電容的大小。

圖3 ，逐次逼近電容檢測方法

·Sigma-Delta電容檢測方法

圖4是將感應電容轉(zhuǎn)換為電阻的原理圖。S1和S2是一對互補的開關，定時器控制S1和S2以一定頻率開和關，不斷的對感應電容進行充電和放電?？梢詫⒋穗娐返刃橐粋€電阻Rx連接到地。當Cx變大時，相對應Rx減小；當Cx變小時，相對應的Rx增大，如圖5所示。

圖4， 開關電容原理圖

圖5是采用Sigma-Delta方式檢測電容的相對變化。當觸發(fā)器的輸出為低，控制開關S3打開，Cmod上通過Rx放電，此時Cmod的電平降低。當它的電平低于比較器的正向輸入端Vref時，此時比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為高，S3閉合。由于Rb的電阻遠小于Rx，所以Cmod通過Rb進行充電。Cmod的電平逐漸上升，直到大于Vref，觸發(fā)比較器輸出低，打開S3，對Cmod放電。周而復始，比較器和觸發(fā)器能夠控制Cmod兩端的電壓在Vref附近波動。而Rx的不同直接改變比較器輸出的占空比，將比較器的輸出控制計數(shù)器的使能端，則計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)反映了當前輸出信號的占空比。不同的Rx會產(chǎn)生不同的占空比，實現(xiàn)了對感應電容的測量。

圖5， Sigma-Delta電容檢測方法

3. 基于CY8C22x45的溢出檢測設計

CY8C22x45系列產(chǎn)品是Cypress針對觸摸應用及系統(tǒng)控制而專門設計的PSoC器件。它包含8個數(shù)字模塊和6個簡化型的模擬模塊，為用戶提供了最多可到38個通用I/O， 16Kbyte閃存，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，包括10位SAR ADC，電壓參考源（VDAC），I2C通信模塊，硬件實時時鐘（RTC）。該系列器件為觸摸設計提供了獨立的硬件資源，并優(yōu)化了內(nèi)部掃描電路，在不占用片上其他數(shù)字資源的情況下，可以實現(xiàn)雙通道的信號同時掃描，從而縮短所有按鍵總的掃描時間。

圖6是基于CY8C22x45的電磁爐溢出檢測設計方案示意圖。該方案在電磁爐的面板下方安裝了一圈金屬物體作為電容傳感器，并將其引到處理器的輸入管腳。這個電容傳感器可以為金屬片、金屬膜、金屬鍍層制成。由于此方案采用觸摸按鍵和觸摸滑條作為用戶操作界面，因此可以方便的將溢出檢測的電容傳感器和主芯片連接。除此之外，主芯片CY8C22x45還完成狀態(tài)顯示，菜單操作，功率控制，蜂鳴器控制，系統(tǒng)保護等電磁爐的主要功能。

圖6 ，電磁爐溢出檢測設計方案示意圖

電磁爐工作的原理是產(chǎn)生大約20K電磁振蕩信號，在鐵質(zhì)的鍋底感應出渦流產(chǎn)生熱量，所以在電磁爐加熱盤周圍放置環(huán)形的電容傳感器必然會引入主振蕩電路的干擾，如圖7所示。圖中開始的一段時間是電磁爐主振蕩電路沒有工作時采集到的數(shù)值，當主振蕩電路開始工作時，可以看到采集到的數(shù)值有明顯的交流干擾，在爐具面板上有水覆蓋時，其采集數(shù)據(jù)的平均值比無水時有了一定幅度的提高。

圖7 ，溢出檢測傳感器的采集數(shù)據(jù)

使用低通濾波器將采集的數(shù)據(jù)進行濾波，可以得到如圖8的波形。此時可以將主振蕩電路的交流干擾基本濾去。在電磁爐主振蕩電路開始工作時，將將濾波后電容傳感器數(shù)據(jù)記錄下來，作為參考值，然后實時檢測當前電容傳感器的值。如果當前數(shù)值與參考值的差大于某個閾值，那么可以判定當前面板上有水溢出。由于電路和電容傳感器的形狀大小直接影響低通濾波算法和閾值的確定，因此這二者都通過實驗方式取得。

圖8，低通濾波后的溢出傳感器采集數(shù)據(jù)

4. 結(jié)語

將溢出檢測的功能融合到基于PSoC CY8C22x45的觸摸按鍵電磁爐設計中，不僅可以復用電容檢測的內(nèi)部電路，而且還可以將溢出檢測電容傳感器視為普通的觸摸按鍵，進行相關的軟件處理。此方法在沒有增加復雜的外圍電路同時，為電磁爐的安全設計提供了一個良好的解決方案。