基于Cypress PSoC芯片的被加热物溢出检测方案

电磁炉以其特有的加热方式，高效的工作特点，便捷的操作方式，越来越受到市场的青睐。但是随着用户数量的增长，越来越多的安全问题受到了大家的关注。电磁炉属于高功率发热产品，在使用过程中存在着不安全因素，所以安全设计是目前电磁炉厂家需要考虑问题。

在电磁炉的使用过程中，锅具中的被加热物可能由于意外或者沸腾溢出，这会造成潜在的一些危险并损害炉具或伤害使用者。当使用电容感应方式触摸按键的电磁炉时，被加热物溢出还可能造成电磁炉按键的误动作，这给使用者带来极大的危险。本文介绍了一种基于Cypress PSoC芯片的被加热物溢出检测方法，能够有效地判断是否有加热物溢出，防止此类危险的发生。

1. 溢出检测的原理

被加热物溢出检测电路主要由一个处理器和一个或数个电容传感器组成。电容传感器由金属或其他导电材料构成，一般被安装在炉具面板的下方，接入到处理器。处理器通过采集传感器上信号的变化来判断是否有被加热物溢出。如果检测到加热物溢出，处理器通知主控系统关闭，达到安全使用的功能。此被加热物溢出检测电路可以融合在电磁炉的主控制电路中，也可以采用独立的控制器件或者其它分立器件电路实现。

图1 ，传感器和处理器连接示意图

本设计使用电容传感器作为溢出检测的传感器。它安装在电磁炉表面的下方，引到处理器的输入管脚，如图1所示。在PCB板上放置一块铜箔作为电容传感器，并将这个传感器引入到PSoC CY8C22x45处理器的一个输入端。正常工作时面板上没有水，电容传感器感应出的电容是分布电容Cp。从处理器输入端观察，此时采集到的等效感应电容Cx即是Cp。对于固定设计其分布电容的数值也是相对固定的，包含很多耦合路径的寄生电容。如果有溢出物覆于电容传感器上，传感器则增加了一个对地的耦合路径产生的电容Cf，那么等效感应电容Cx数值随之增大。因此通过测量等效感应电容Cx的变化可以间接测量到Cf的变化，从而检测到炉具面板上是否有液体溢出。

2. 电容检测的方法

检测电容的方法有很多，主要是利用电路将电容值转换为频率值或者电压值进行测量。主要的方法有以下几种：松弛振荡电路电容检测，逐次逼近电容检测方法，Delta-Sigma电容检测方法。Cypress能够针对以上的方法提供全面的解决方案。以下针对此三种方法给以简单的原理介绍。

·松弛振荡电容检测方法

图2是采用松弛振荡电路用于检测电容相对变化，通过测量振荡电路的振荡周期从而确定电容的相对变化。振荡电路的基础是电阻R和感应电容Cx，另外有两个比较器和一个触发器共同构成松弛振荡电路。当触发器的 输出高电平时，通过电阻R对Cx充电，Cx的电压随之升高，当电平超过参考电压1时， 输出低电平。而后，电容Cx通过电阻R进行放电，Cx的电压随之降低，当电平低于参考电压2时， 输出高电平。振荡电路进入下一个周期。在触发器的输出端，可用定时器测量振荡电路的周期。当Cx变化时，振荡周期也随之改变。通过测量振荡周期的相对变化，可间接测量到感应电容的相对变化。

图2 ，松弛振荡电容检测方法

·逐次逼近电容检测方法

图3是逐次逼近式检测电容的原理框图。使用恒流源对被测电容进行充电，同时将被测电容的一端接入比较器的输入。开始时，Cx两端的电压小于Vref，比较器输出高，计数器开始计数。当Cx的电压大于Vref时，比较器输出低，停止计数。此时，计数器的数值反映了Cx的充电时间。使用相同的恒流源，不同的Cx能够产生不同的计数器数值。所以，通过计数器数值的变化能够检测感应电容的大小。

图3 ，逐次逼近电容检测方法

·Sigma-Delta电容检测方法

图4是将感应电容转换为电阻的原理图。S1和S2是一对互补的开关，定时器控制S1和S2以一定频率开和关，不断的对感应电容进行充电和放电。可以将此电路等效为一个电阻Rx连接到地。当Cx变大时，相对应Rx减小；当Cx变小时，相对应的Rx增大，如图5所示。

图4， 开关电容原理图

图5是采用Sigma-Delta方式检测电容的相对变化。当触发器的输出为低，控制开关S3打开，Cmod上通过Rx放电，此时Cmod的电平降低。当它的电平低于比较器的正向输入端Vref时，此时比较器翻转，输出为高，S3闭合。由于Rb的电阻远小于Rx，所以Cmod通过Rb进行充电。Cmod的电平逐渐上升，直到大于Vref，触发比较器输出低，打开S3，对Cmod放电。周而复始，比较器和触发器能够控制Cmod两端的电压在Vref附近波动。而Rx的不同直接改变比较器输出的占空比，将比较器的输出控制计数器的使能端，则计数器内的数据反映了当前输出信号的占空比。不同的Rx会产生不同的占空比，实现了对感应电容的测量。

图5， Sigma-Delta电容检测方法

3. 基于CY8C22x45的溢出检测设计

CY8C22x45系列产品是Cypress针对触摸应用及系统控制而专门设计的PSoC器件。它包含8个数字模块和6个简化型的模拟模块，为用户提供了最多可到38个通用I/O， 16Kbyte闪存，1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，包括10位SAR ADC，电压参考源（VDAC），I2C通信模块，硬件实时时钟（RTC）。该系列器件为触摸设计提供了独立的硬件资源，并优化了内部扫描电路，在不占用片上其他数字资源的情况下，可以实现双通道的信号同时扫描，从而缩短所有按键总的扫描时间。

图6是基于CY8C22x45的电磁炉溢出检测设计方案示意图。该方案在电磁炉的面板下方安装了一圈金属物体作为电容传感器，并将其引到处理器的输入管脚。这个电容传感器可以为金属片、金属膜、金属镀层制成。由于此方案采用触摸按键和触摸滑条作为用户操作界面，因此可以方便的将溢出检测的电容传感器和主芯片连接。除此之外，主芯片CY8C22x45还完成状态显示，菜单操作，功率控制，蜂鸣器控制，系统保护等电磁炉的主要功能。

图6 ，电磁炉溢出检测设计方案示意图

电磁炉工作的原理是产生大约20K电磁振荡信号，在铁质的锅底感应出涡流产生热量，所以在电磁炉加热盘周围放置环形的电容传感器必然会引入主振荡电路的干扰，如图7所示。图中开始的一段时间是电磁炉主振荡电路没有工作时采集到的数值，当主振荡电路开始工作时，可以看到采集到的数值有明显的交流干扰，在炉具面板上有水覆盖时，其采集数据的平均值比无水时有了一定幅度的提高。

图7 ，溢出检测传感器的采集数据

使用低通滤波器将采集的数据进行滤波，可以得到如图8的波形。此时可以将主振荡电路的交流干扰基本滤去。在电磁炉主振荡电路开始工作时，将将滤波后电容传感器数据记录下来，作为参考值，然后实时检测当前电容传感器的值。如果当前数值与参考值的差大于某个阈值，那么可以判定当前面板上有水溢出。由于电路和电容传感器的形状大小直接影响低通滤波算法和阈值的确定，因此这二者都通过实验方式取得。

图8，低通滤波后的溢出传感器采集数据

4. 结语

将溢出检测的功能融合到基于PSoC CY8C22x45的触摸按键电磁炉设计中，不仅可以复用电容检测的内部电路，而且还可以将溢出检测电容传感器视为普通的触摸按键，进行相关的软件处理。此方法在没有增加复杂的外围电路同时，为电磁炉的安全设计提供了一个良好的解决方案。