双腔空气炸锅加热系统的控制电路设计

双腔空气炸锅加热系统的控制电路设计

谢丽芳  ,骆建立

广东美的生活电器制造有限公司  广东省佛山市 528311

摘要：空气炸锅的工作原理是采用空气动力学相关技术，通过空气高速循环手段，它经过加热腔体内部的发热管达到高温来形成热空气，接着用风机把高温空气吹至腔体中加热食材，让热空气在封闭的空间中循环对流。双腔空气炸锅是在空气炸锅的功能基础上设计两个腔体分别控制两个加热系统对负载发热管进行加热控制的，接着用风机把高温空气吹至两个腔体中加热食材。这两个腔体可以设计为左右或者上下方式的两种腔体。双腔空气炸锅要对两个腔体进行加热控制，其控制电路和控制逻辑设计都很复杂，比在单腔体的空气炸锅设计方面需要考虑到的影响因素要更多。

关键词：双腔空气炸锅；控制电路；控制逻辑

引言

随着社会经济高速发展，老百姓生活条件越来越好，各家各户的厨房里面都攘括了各种厨房小电。空气炸锅在健康理念、加热效率、烘焙口感等方面明显优于传统炸锅和普通烤箱等加热类厨房小电，其市场规模自2016年起开始快速扩容，尤其是在疫情催化下加速增长。相较于传统烤箱以及其他加热类厨房小家电，空气炸锅依靠空气动力学相关技术不仅使得炸制食品更为健康且易于清洗，同时其立体式的热风循环加热模式也能够更快速锁住水分，使食物口感更佳。随着空气炸锅的不断普及和较大的优化空间以及加强功能区分，未来有望逐步替代普通烤箱。双腔空气炸锅作为普通空气炸锅的升级款，容量更大，功能更丰富，适用场景更加广泛亦逐渐被全球消费者所接受。本文主要阐述的是一种双腔空气炸锅加热系统的控制电路设计原理。

1双腔空气炸锅的功能模块

空气炸锅的工作原理是采用空气动力学相关技术，通过空气高速循环手段，它经过加热腔体内部的发热管达到高温来形成热空气，接着用风机把高温空气吹至腔体中加热食材，让热空气在封闭的空间中循环对流，利用食材自身的油脂煎炸食物，从而让食材脱水，表层变成金黄酥脆，实现煎炸的效果。双腔空气炸锅是在空气炸锅的功能基础上设计两个腔体分别控制两个加热系统对负载发热管进行加热控制的，接着用风机把高温空气吹至两个腔体中加热食材。这两个腔体可以设计为左右或者上下方式的两种腔体。双腔空气炸锅要对两个腔体进行加热控制，其控制电路和控制逻辑设计都很复杂，比在单腔体的空气炸锅设计方面需要考虑到的影响因素要更多，比如：双腔体的整机温升是否符合要求、是否符合安规设计要求、两个腔体是否可以同时加热、两个腔体之间控温干扰如何处理等因素。

双腔空气炸锅从结构设计上看是在原有空气炸锅基础上增加设计了一个内锅腔体加热子系统和风机动力子系统，其控制的功能模块需要增加对应控制模块子系统。

双腔空气炸锅的功能模块如下图1所示，其主要由主控板和显示板组成，主控板部分主要是由AC-DC电源模块电路提供稳定的输出电源，再由上位机控制电路分别控制双腔中腔体1控制部分电路加热控制电路1、风机控制电路1、炉灯控制电路1、温度感应电路1和内锅检测电路1，同时上位机控制电路还对腔体2控制部分电路加热控制电路2、风机控制电路2、炉灯控制电路2、温度感应电路2和内锅检测电路2进行控制。显示板含有下位机控制电路和人机交互界面电路以及WIFI模块电路等功能模块。

其工作过程是主控板通过UART通信接口实现与显示板的信息发送和控制命令接收，并且根据显示板的控制命令对双腔空气炸锅每个腔体加热负载子系统分别进行控制。

图1 双腔空气炸锅的功能模块框图

2 双腔空气炸锅的加热系统控制电路分析

双腔空气炸锅的加热系统控制电路由两个腔体的加热子系统组成，每个加热子系统控制单个腔体里面的加热热源，确保腔体内的食物能够被烘烤得外焦里嫩满足用户口味需求。

由于空气炸锅加热负载功率大，如果要实现两个腔体加热负载同时进行工作，这不仅需要满足整机电源线能够承受负载总功率和电流的降额设计要求，还有满足合规测试要求，不能导致电源线发烫起火等不良现象。如果双腔空气炸锅的两个加热负载总功率大于整机电源线的额定功率时，双腔空气炸锅的加热系统控制电路在硬件电路上设计就需要能够实现一个腔体内加热子系统控制电路进行工作时，另外一个腔体内加热子系统控制电路能够停止工作，让两个加热子系统在硬件电路上能够实现互锁作用，两个加热子系统不会同时进行工作。

双腔空气炸锅加热系统的控制电路如图2所示，该控制电路工作原理是每个腔体加热子系统控制电路是由单片机采用双路IO口进行控制，一路单片机IO口输出高低电平信号进行控制，另一路单片机PWM口输出异常信号进行控制。双腔体空气炸锅采用左右腔或者上下腔设计的加热系统控制电路通过单片机分别控制双腔中加热系统电路的输出信号进而让双腔空气炸锅的两个腔体能够同时进行工作的。

双腔空气炸锅的加热系统控制电路是由左右或者上下腔体加热子系统的控制电路组成。双腔空气炸锅的左腔体加热子系统由左腔负载发热管和继电器控制电路组织，继电器REL162的控制电路由单片机两路IO口输出信号进行控制。一路单片机PWM口输出异常信号控制继电器REL162输入电源12V端，另一路由单片机IO口输出高低电平信号控制继电器REL162线圈吸合端。控制继电器REL162输入电源12V端的电路由三极管Q155、Q156、二极管D165、D164、D163、电阻R1728、R1729、R1744、电解电容E11、独石电容C161构成。当单片机PWM口输出异常信号即方波信号时，方波信号通过独石电容C161和二极管D163后对电解电容E11进行充电，当达到驱动三极管Q156的基极电压时三极管Q156导通，三极管Q155基极电压被拉低，三极管Q155是PNP管导通，继电器REL162的供电电源12V开通。二极管D165是嵌位二极管保护三极管承受的最大电压不会超过12V。控制继电器REL162线圈吸合端的电路由三极管Q158、Q161、电阻R1743、R1742、二极管D170、稳压二极管DZ162、电容C173构成。当单片机IO口输出高电平信号时，三极管Q158导通，继电器REL162开关导通，左腔负载发热管开始加热。同时三极管Q161是NPN管，其集电极连接到右腔体加热子系统的继电器控制电路里面的三极管Q162的基极上，当控制左腔发热管的继电器控制电路由单片机IO口输出高电平信号时，三极管Q158导通，NPN管三极管Q161同时导通，将右腔体加热子系统的继电器控制电路里面的三极管Q162的基极电平拉低，断开右腔负载发热管加热。确保左腔体加热子系统工作时，右腔体加热子系统被锁住不能工作。

双腔空气炸锅的右腔体加热子系统由右腔负载发热管和继电器控制电路组织，继电器REL161的控制电路也是由单片机两路IO口输出信号进行控制。一路单片机PWM口输出异常信号控制继电器REL161输入电源12V端，另一路由单片机IO口输出高低电平信号控制继电器REL161线圈吸合端。控制继电器REL161输入电源12V端的电路是跟上腔体加热子系统控制继电器REL162输入电源12V端的电路共用一个单片机PWM口的控制电路，可以减少一个IO口资源和部分电路。控制继电器REL161线圈吸合端的电路由三极管Q162、Q160、电阻R1741、R1740、二极管D166、稳压二极管DZ161、电容C172构成。当单片机IO口输出高电平信号时，三极管Q162导通，继电器REL161开关导通，右腔负载发热管开始加热。同时三极管Q160是NPN管，其集电极连接到左腔体加热子系统的继电器控制电路里面的三极管Q158的基极上，当控制右腔发热管的继电器控制电路由单片机IO口输出高电平信号时，三极管Q162导通，NPN管三极管Q160也同时导通，将左腔体加热子系统的继电器控制电路里面的三极管Q158的基极电平拉低，断开左腔负载发热管加热。确保右腔体加热子系统工作时，左腔体加热子系统被锁住不能工作。

                   图2双腔空气炸锅加热系统的控制电路图

三极管Q161和三极管Q160都是NPN管，是双腔空气炸锅加热系统控制电路中从硬件电路方面对左右或者上下腔体的两个加热子系统进行互锁的重要元件。

3 双腔空气炸锅的加热系统软件控制逻辑分析

双腔空气炸锅的加热系统虽然硬件上进行负载加热系统的互锁控制，但是实际上是要实现两个腔体能够同时进行食物烹饪的，这需要从软件控制方法上进行控制让双腔空气炸锅能够成为物超所值厨房家电品类。

双腔空气炸锅的加热系统控制流程框图，如图3所示。双腔空气炸锅的加热系统软件程序开始工作时，程序里面先判断左右腔体里面的炉温是否都达到设定温度T1？如果左右腔体的炉温都没有达到设定温度T1，那么先左腔加热子系统进行加热15秒，同时右腔加热子系统停止加热。当左腔加热子系统进行加热15秒时间未到时，继续左腔加热子系统进行加热同时右腔加热子系统停止加热程序；当左腔加热子系统进行加热15秒时间到时，左右腔加热子系统都停止加热2秒时间。当左右腔加热子系统都停止加2秒时间未到时，左右腔加热子系统继续都停止加热；当左右腔加热子系统都停止加热2秒时间到时，右腔加热子系统进行加热15秒，同时左腔加热子系统停止加热。当右腔加热子系统进行加热15秒时间未到时，继续右腔加热子系统进行加热同时左腔加热子系统停止加热程序；当右腔加热子系统进行加热15秒时间到时，左右腔加热子系统都停止加2秒时间。这时当左右腔加热子系统都停止加2秒时间未到时，左右腔加热子系统继续都停止加热；当左右腔加热子系统都停止加热2秒时间到时，再次判断左右腔体里面的炉温是否都达到设定温度T1？如果左右腔体的炉温都还没有达到设定温度T1，那么分别继续进行左右腔体加热工作程序；如果左右腔体的炉温都达到设定温度T1，那么再次检测左腔体炉温是否达到控制的温度T2。这段程序是控制左右腔体达到设定的温度T1程序，当左右腔体炉温都达到了T1程序后，左右腔体分别进行第二阶段的控温程序。

如果检测左腔体炉温未达到控制的温度T2，那么左腔体加热子系统开始加热程序，右腔体加热子系统停止加热；如果检测左腔体炉温达到控制的温度T2，那么左腔体加热子系统停止加热程序，并且检测右腔体炉温是否达到控制的温度T3。如果检测右腔体炉温未达到控制的温度T3，那么右腔体加热子系统开始加热程序，左腔体加热子系统停止加热；如果检测右腔体炉温达到控制的温度T3，那么右腔体加热子系统停止加热程序，并且再次检测左腔体炉温是否达到控制的温度T2。该左右腔体加热子系统在控温程序进行循环加热工作程序，直到设定的工作时间t到时结束左右腔体的烹饪工作。

图3 双腔空气炸锅加热系统的控制流程图

结论

本文研究的双腔空气炸锅加热系统控制电路及其控制系统，在现有空气炸锅控制电路的架构下，没有增加专门满足大功率的电源线，而是通过本文控制电路及其控制系统可以有效实现双腔空气炸锅的加热系统同时对两个腔体进行食物烹饪工作。同时该控制电路不仅从硬件电路上进行双腔内的两个加热子系统进行互锁，还通过该软件程序的逻辑控制对双腔内两个加热子系统进行分开控温和加热控制。该加热系统控制电路的整体电路复杂度低，高效简单，提高了控制系统的稳定性，安全可靠。实际应用表面该双腔空气炸锅的加热系统控制电路设计合理、安全可靠，成本更优，提高了产品的核心竞争力。

参考文献:

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