CN106374427B - 智能远红外取暖器的保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能远红外取暖器的保护装置,包括控制电路、步进电机和转盘,所述控制电路包括核心控制器、超声波模块、系统电源电路、主回路控制电路、温度传感器和步进电机驱动电路；所述步进电机的转动轴末端与转盘固定连接，所述超声波模块倾斜设置在转盘上。利用上述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法，包含以下步骤：步骤1：放置远红外取暖器及保护装置；步骤2：做常温下远红外取暖器与被加热物的距离检测；步骤3：超声波模块实时采集被加热物与超声波探头间超声波的收发时间间隔；步骤4：核心控制器控制主回路控制电路切断和接通远红外取暖器的电源。该保护装置实时断开或者接通远红外取暖器，从而做到安全保护和用电节能。

Description

智能远红外取暖器的保护装置及保护方法

技术领域

本发明涉及远红外取暖器的技术领域，具体涉及一种智能远红外取暖器的保护装置及保护方法。

背景技术

远红外取暖或加热器被广大地区作为冬季取暖或加热设备，但由此而引发的火灾事件时有发生，现提出一款智能型远红外取暖保护器可解除此类恶性事件的发生。

常规的非接触式测温设备多采用红外测温。红外测温设备接收多种物体自身发射出的不可见红外能量，红外辐射是电磁频谱的一部分，红外测温仪所使用的红外线在0．7～14μm波带中。

红外测温设备由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。测温时，被测物体发射出的红外能量，通过红外测温仪的光学系统汇聚其视场内的红外能量，红外能量聚焦在光电探测器上转换为相应的电信号，该信号再经转换，变为被测目标的温度值。几个影响精确测温的重要因素是：发射率、视场到光斑（被测目标）的距离和光斑的位置。

所以红外测温设备虽然测得的温度的精度较高，但其结构复杂、测试角度较小，对测试环境要求较高；所测试设备的成本较高，且随着测试距离的增加设备的价格快速上升，像进口的红外测温设备通常都在10万元/台以上，所以红外测温方式不适用于远红外取暖或加热器加热设备的温度测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种智能远红外取暖器的保护装置及保护方法，该保护装置可以做到对远红外取暖器加热范围内被加热物的温度采集，实时断开或者接通远红外取暖器，从而做到安全保护和用电节能。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种智能远红外取暖器的保护装置，包括控制电路、步进电机和转盘；所述控制电路包括核心控制器、超声波模块、系统电源电路、主回路控制电路、温度传感器和步进电机驱动电路；所述核心控制器的驱动端口连接步进电机驱动电路，步进电机驱动电路的输出端连接步进电机；所述核心控制器的温度端口与温度传感器连接；所述核心控制器的信号收发端口与超声波模块连接；所述核心控制器的控制端口与主回路控制电路连接；所述系统电源模块为核心控制器、超声波模块、主回路控制电路、温度传感器、步进电机驱动电路供电；所述步进电机的转动轴末端与转盘固定连接，所述超声波模块倾斜设置在转盘上。

进一步地，所述核心控制器采用微芯公司的PIC16F1823单片机。

进一步地，所述超声波模块的探测方向与转盘的垂直方向的夹角α为7.5º；所述超声波模块采用hc-sr04超声波模块，所述核心控制器的两个信号收发端口分别经过阻值为330Ω的电阻与hc-sr04超声波模块的输入端口连接。

进一步地，所述系统电源模块含有变压器、整流滤波电路、稳压电路，所述变压器的输入端接入220VAC电源，变压器的输出端经整流滤波电路输出12VDC电源,12VDC电源经7805稳压电路输出5VDC电源。

进一步地，所述主回路控制电路包括继电器和三极管8050，所述核心控制器的控制端口通过三极管8050控制继电器的线圈供电的通断，从而接通切断远红外取暖器的主回路电源。

进一步地，所述温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器。

进一步地，所述步进电机驱动电路采用ULN2003AN驱动电路。

一种利用上述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法，包含以下步骤：

步骤1：将远红外取暖器连同所述的保护装置一起放置在距离被加热物0～1.5m的位置，调整超声波模块的探测方向与转盘的垂直方向的夹角α为7.5º；

步骤2：核心控制器控制步进电机驱动电路驱动步进电机旋转一周，做常温下远红外取暖器与被加热物的距离检测，并记录360°转角上各个点的距离值，其中环境温度由温度传感器检测，这是学习阶段；

步骤3：当远红外取暖器正常工作时，步进电机以1转/分钟或小于1转/分钟的速度旋转，超声波模块实时采集被加热物与超声波探头间超声波的收发时间间隔；

步骤4：利用超声波在空气中的传播速度受温度影响这一原理实现被加热物的温度采集；当环境或被加热物温度达到上极限温度点，核心控制器控制主回路控制电路切断远红外取暖器的电源；当环境或被加热物温度下降到设定的下极限温度点，远红外取暖器恢复供电，被加热物得到加温。

由于采用了上述技术方案，本发明的积极有益效果是：

1.本发明提供的保护装置为长距离非接触温度检测，所以系统抗干扰能力强，使用寿命长。

2.本发明可以做到对远红外取暖器取暖范围内被加热物的温度采集，并实时断开或者接通远红外取暖器的电源，从而做到安全保护和用电节能。该装置体积小，安装方便，结构简单，制作成本低，易于在市场是推广实施。

附图说明

图1为超声波模块与被加热物间超声波收发时间间隔检测的实现原理图；

图2为PIC16F1823单片机的引脚图；

图3为超声波模块的电路图；

图4为系统电源电路和主回路控制电路图；

图5为温度传感器电路图；

图6为步进电机驱动电路图；

图7为本发明的总控制电路图。

图中序号所代表的含义为:1.步进电机，2.转盘，3.超声波模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细描述：

实施例一：本发明提供的一种智能远红外取暖器的保护装置利用超声波在空气中的传播速度受温度影响这一原理实现对被加热物的温度采集。具体原理是超声波在空气中的传播速度与温度的关系为：v=331.5+0.6t（m/s）。

250℃时，v=331.5+0.6t（m/s）=331.5+0.6*250=481.5（m/s）；

100℃时，v=331.5+0.6t（m/s）=331.5+0.6*100=391.5（m/s）；

30℃时，v=331.5+0.6t（m/s）=331.5+0.6*30=349.5（m/s）；

10℃时，v=331.5+0.6t（m/s）=331.5+0.6*10=337.5（m/s）；

从上面的公式可以看出，随着温度的上升超声波的传播速度迅速加快，那么对于远红外取暖器与被加热物之间距离固定的场合，在加热前低温的情况下超声波发射与反射回来的时间较长，当加热一段时间后环境和被加热物的温度上升，超声波传递的速度加快，超声波发射与反射回来的时间大大缩短。由此来确定被加热物是否已经不能再加温了，继而断掉远红外取暖器的电源，起到安全保护的作用，当环境温度下降到某一固定值时，远红外取暖器恢复供电，被加热物得到加温。

本发明智能远红外取暖器的保护装置包括控制电路、步进电机1和转盘2；所述控制电路包括核心控制器、超声波模块3、系统电源电路、主回路控制电路、温度传感器和步进电机驱动电路；所述核心控制器的驱动端口连接步进电机驱动电路，步进电机驱动电路的输出端连接步进电机1；所述核心控制器的温度端口与温度传感器连接；所述核心控制器的信号收发端口与超声波模块3连接；所述核心控制器的控制端口与主回路控制电路连接；所述系统电源模块为核心控制器、超声波模块、主回路控制电路、温度传感器、步进电机驱动电路供电；所述步进电机1的转动轴末端与转盘2固定连接，所述超声波模块3倾斜设置在转盘2上，所述超声波模块3的探测方向与转盘2的垂直方向的夹角α为7.5º，使保护装置探测被加热物的范围足够宽。

如图1所示，本发明使用的超声波模块的最远射程是4米，但考虑到实际使用中被加热物一般摆放在远红外取暖器的1.5米以内为易着火距离，1.5米以外的被加热物不易被加热到着火点。从提高产品测试精度降低产品成本考虑，可将本发明的产品的测试距离控制在1.5米以内，并将超声波模块的探测角度控制在0～15°范围内，该角度为超声波模块的精确探测角度范围。

如图2所示，所述核心控制器采用微芯公司的PIC16F1823单片机，该芯片14引脚封装，体积小，但外围多功能接口丰富，满足本发明的高速脉冲输入和输出控制。

如图3所示，所述超声波模块采用hc-sr04超声波模块，PIC16F1823单片机的两个信号收发端口分别经过阻值为330Ω的电阻与hc-sr04超声波模块的输入端口连接，该模块价格便宜，结构简单，体积小。该模块的工作原理是：

(1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；

(2)模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=[高电平时间*声速（340m/s）]/2。

如图4所示，所述系统电源模块含有变压器、整流滤波电路、稳压电路，所述变压器的输入端接入220VAC电源，变压器的输出端经整流滤波电路输出12VDC电源,12VDC电源经7805稳压电路输出5VDC电源。该5VDC电源为PIC16F1823单片机、hc-sr04超声波模块、温度传感器供电，12VDC电源为步进电机驱动电路、主回路控制电路供电。

如图4所示，所述主回路控制电路包括继电器K1和三极管8050，所述PIC16F1823单片机的控制端口通过三极管8050控制继电器K1的线圈供电的通断，从而接通切断取暖器的主回路电源，继电器K1的触点通常处于常闭状态，当被加热物的温度达到上极限温度点，继电器K1的线圈得电，切断远红外取暖器的主回路电源，当被加热物的温度下降到下极限温度点时，恢复远红外取暖器的主回路供电。

如图5所示，所述温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器，该温度传感器是在系统首次上电时采集环境温度使用的，给控制系统提供学习阶段的温度基准。

如图6所示，由于驱动带倾角的超声波模块需要的功率不大，步进电机驱动电路采用ULN2003AN驱动电路驱动五线四相步进电机，可实时记录360°转角上被加热物的温度值。

实施例二：如图7所示，一种利用实施例一所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法，包含以下步骤：

步骤1：将远红外取暖器连同实施例一中所述的保护装置一起放置在距离被加热物0～1.5m的位置，调整hc-sr04超声波模块的探测方向与转盘的垂直方向的夹角α为7.5º；

步骤2：PIC16F1823单片机控制ULN2003AN驱动电路驱动步进电机旋转一周，做常温下远红外取暖器与被加热物的距离检测，并记录360°转角上各个点的距离值，其中环境温度由DS18B20温度传感器检测，这是学习阶段；

步骤3：当远红外取暖器正常工作时，步进电机以1转/分钟或小于1转/分钟的速度旋转，hc-sr04超声波模块实时采集被加热物与超声波探头间超声波的收发时间间隔；

步骤4：利用超声波在空气中的传播速度受温度影响这一原理实现被加热物的温度采集；当环境或被加热物温度达到上极限温度点，PIC16F1823单片机控制主回路控制电路切断远红外取暖器的电源；当环境或被加热物温度下降到设定的下极限温度点，远红外取暖器恢复供电，被加热物得到加温。例如：学习阶段在10℃测得的距离是1.5米，超声波的收发时间间隔是8.889秒；当环境温度或被加热物温度到达上极限温度点100℃时，对于1.5米距离，超声波的收发时间间隔是7.663秒，此时，切断远红外取暖器的电源，以起到安全保护的作用，这时步进电机载超声波模块继续采集环境温度；当环境或被加热物的温度下降到25℃时再接通远红外取暖器的电源，被加热物得到加温。

这里所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，本发明不仅用于远红外加热系统的温度检测保护，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，如：用于其它室内或腔体中的温度检测控制等等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能远红外取暖器的保护装置的保护方法，所述智能远红外取暖器的保护装置包括控制电路、步进电机和转盘；所述控制电路包括核心控制器、超声波模块、系统电源电路、主回路控制电路、温度传感器和步进电机驱动电路；所述核心控制器的驱动端口连接步进电机驱动电路，步进电机驱动电路的输出端连接步进电机；所述核心控制器的温度端口与温度传感器连接；所述核心控制器的信号收发端口与超声波模块连接；所述核心控制器的控制端口与主回路控制电路连接；所述系统电源电路为核心控制器、超声波模块、主回路控制电路、温度传感器、步进电机驱动电路供电；所述步进电机的转动轴末端与转盘固定连接，所述超声波模块倾斜设置在转盘上；其特征在于：基于上述智能远红外取暖器的保护装置的保护方法包含以下步骤：

步骤1：将远红外取暖器连同所述的保护装置一起放置在距离被加热物0～1.5m的位置，调整超声波模块的探测方向与转盘的垂直方向的夹角α为7.5º；

步骤2：核心控制器控制步进电机驱动电路驱动步进电机旋转一周，做常温下远红外取暖器与被加热物的距离检测，并记录360°转角上各个点的距离值，其中环境温度由温度传感器检测，这是学习阶段；

步骤3：当远红外取暖器正常工作时，步进电机以1转/分钟或小于1转/分钟的速度旋转，超声波模块实时采集被加热物与超声波探头间超声波的收发时间间隔；

步骤4：利用超声波在空气中的传播速度受温度影响这一原理实现被加热物的温度采集；当环境或被加热物温度达到上极限温度点，核心控制器控制主回路控制电路切断远红外取暖器的电源；当环境或被加热物温度下降到设定的下极限温度点，远红外取暖器恢复供电，被加热物得到加温。

2.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于:所述核心控制器采用微芯公司的PIC16F1823单片机。

3.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于:所述超声波模块采用hc-sr04超声波模块，所述核心控制器的两个信号收发端口分别经过阻值为330Ω的电阻与hc-sr04超声波模块的输入端口连接。

4.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于:所述系统电源电路含有变压器、整流滤波电路、稳压电路，所述变压器的输入端接入220VAC电源，变压器的输出端经整流滤波电路输出12VDC电源,12VDC电源经7805稳压电路输出5VDC电源。

5.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于：所述主回路控制电路包括继电器和三极管8050，所述核心控制器的控制端口通过三极管8050控制继电器的线圈供电的通断，从而接通切断远红外取暖器的主回路电源。

6.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于：所述温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器。

7.根据权利要求1所述的智能远红外取暖器的保护装置的保护方法,其特征在于：所述步进电机驱动电路采用ULN2003AN驱动电路。