CN108770084B - 一种电子加热装置及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子加热装置及加热方法，该装置包括控制单元U1、若干个加热模块及测量模块，控制单元U1，用于输出控制信号，驱动加热模块进行工作或关闭；加热模块，用于对香烟进行加热；测量模块，用于采集加热模块的电压和电流信息，将电压和电流转换为阻值信息，传输至控制单元U1，以供控制单元U1调节控制信号，驱动加热模块工作时的电压和电流保持在控制单元U1允许的范围内。本发明通过设置加热模块以及测量模块，由控制单元根据测量模块输送的数据，控制加热模块的加热温度为目标温度，实现对普通香烟进行直接烘烤加热，均匀释放烟雾，加热模块环绕着香烟间隔布置，使得烘烤更充分，香烟的香烟气释放更加均匀，节约能耗。

Description

一种电子加热装置及加热方法

技术领域

本发明涉及电子烟，更具体地说是指一种电子加热装置及加热方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高，逐渐认识到吸烟对人体的危害，因此诞生了电子烟。在市场上市了一种IQOS电子烟烟具，该电子烟烟具需要购买特制的香烟，该香烟大约只有常见香烟的四分之一长度，将特制香烟插入IQOS烟具中，启动加热后，将香烟加热到300多度，使特制香烟释放烟雾供抽烟者抽食。该电子烟具将香烟加热而没有燃烧，不会产生焦油和一氧化碳等有害物质，减少对抽烟者的身体伤害。

IQOS电子烟烟具只能对特制香烟进行加热烘烤，普通的香烟不能插入IQOS电子烟烟具进行烘烤。IQOS烟具的发热片是插入特制香烟的中心，由中心往外加热烘烤，而且特制香烟是条片状，插入时是和发热片平行，当发热片加电压时，发热片产生热量，对整根香烟进行烘烤，贴近发热片周围区域温度比较高，远离发热片的区域温度会比较低，需要更高的温度才能将发热片外围的区域香烟进行烘烤。IQOS烟具片状发热片对香烟加热，存在中心温度高，外围温度低的缺点，与发热片条状平行的香烟由中心向外温度递减，与发热片90°方向外围的香烟不能充分烘烤。

因此，有必要设计一种新的电子烟装置，实现对普通香烟进行直接烘烤加热，烘烤香烟后均匀释放烟雾给抽烟者抽食，烘烤更充分，香烟释放更加均匀，节约能耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种电子加热装置及加热方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电子加热装置，包括控制单元U1、加热模块以及测量模块；所述控制单元U1，用于输出控制信号，驱动加热模块进行工作或关闭；所述加热模块，用于对香烟进行加热；所述测量模块，用于采集加热模块的电压和电流信息，将电压和电流转换为阻值信息，传输至控制单元U1，以供控制单元U1调节控制信号，驱动加热单元工作时的电压和电流保持在控制单元U1允许的范围内。

其进一步技术方案为：所述加热模块包括四个加热单元，四个所述加热单元环绕在香烟的外周。

其进一步技术方案为：所述测量模块包括四个测量单元。

其进一步技术方案为：所述加热单元包括开关元件以及发热导体RT，通过控制单元U1驱动开关元件导通或截断，以驱动发热导体RT加热或关闭加热。

其进一步技术方案为：所述开关元件包括MOS管Q1。

其进一步技术方案为：所述加热单元还包括第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2。

其进一步技术方案为：所述加热单元还包括采样电阻R3。

其进一步技术方案为：所述测量单元包括电流放大器。

其进一步技术方案为：所述控制单元U1的型号为STM32F030CBT6。

本发明还提供了一种使用上述电子加热装置的加热方法，包括如下步骤：

启动加热模式；

加热单元进行加热；

检测发热导体RT的阻值，估计发热导体RT表面的温度；

判断发热导体RT表面的温度是否到达目标温度；

若否，则返回加热单元进行加热的步骤；

若是，则保持目标温度进行烘烤香烟，并调整控制单元U1的PWM输出占空比；

保持目标温度烘烤一段时间后，关闭加热模式。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的一种电子加热装置，通过设置环绕着香烟间隔布置的加热模块以及若干个用于检测加热模块的电流和电压的测量模块，由控制单元根据测量模块输送的数据，进而控制加热模块的加热温度为目标温度，实现对普通香烟进行直接烘烤加热，烘烤香烟后均匀释放烟雾给抽烟者抽食，加热模块环绕着香烟间隔布置，使得烘烤更充分，香烟的香烟气释放更加均匀，节约能耗。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明具体实施例一提供的一种电子加热装置的结构框图；

图2为本发明具体实施例一提供的一种电子加热装置的电路原理图；

图3为本发明具体实施例一提供的一种电子加热装置的加热方法的流程图；

图4为本发明具体实施例一提供的加热单元的工作时间与目标温度变化曲线示意图；

图5为发明具体实施例二提供的另一种电子加热装置的结构框图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1～5所示的具体实施例，本发明提供的一种电子加热装置，包括控制单元U1、加热模块以及测量模块；所述控制单元U1，用于输出控制信号，驱动加热模块进行工作或关闭；所述加热模块，用于对香烟进行加热；所述测量膜，用于采集加热模块的电压和电流信息，将电压和电流转换为阻值信息，传输至控制单元U1，以供控制单元U1调节控制信号，驱动加热单元工作时的电压和电流保持在控制单元U1允许的范围内。

该电子加热装置，可以实现对普通香烟进行直接烘烤加热，烘烤香烟后均匀释放烟雾给抽烟者抽食，烘烤更充分，香烟香烟气释放更加均匀，节约能耗。在本发明实施例中，所述香烟为香烟制品，也即香烟。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种电子加热装置，其包括控制单元U1、加热模块1以及测量模块2；其中，控制单元U1用于输出控制信号，驱动加热单元进行工作或关闭；加热模块1用于对香烟进行加热；测量模块2用于采集加热单元的电压和电流信息，将电压和电流转换为阻值信息，传输至控制单元U1，以供控制单元U1调节控制信号，驱动加热模块工作时的电压和电流保持在控制单元U1允许的范围内。

利用加热模块对香烟进行加热烘烤不需要对香烟进行燃烧，烘烤释放香烟味道和烟雾供抽烟者抽食，减少焦油和有害物质对人身的伤害。

更进一步地，在本实施例中，如图1所示，上述加热模块1包括四个加热单元(11，12，13，14)，四个加热单元环绕在香烟的外周。四个加热单元(11，12，13，14)是相同的。

相应地，上述测量模块2包括四个测量单元(21，22，23，24)，每个测量单元各自独立测量一个加热单元的电流和电压，以便于控制单元U1对各个加热单元进行单独控制，以确保每个加热单元的加热温度能达到目标温度，使热量可以集中在香烟中某个区域进行烘烤，持续释放烟雾。如对香烟整支同时烘烤，烟雾将会很快释放完成。四个测量单元(21，22，23，24)也是相同的。

于其他实施例，上述测量模块2中的测量单元2的个数也可以为一个、三个、五个、六个等。

更进一步地，如图2所示，上述的每个加热单元均包括一个开关元件以及发热导体RT，通过控制单元U1输出控制信号驱动开关元件导通或截断，以驱动发热导体RT启动或关闭加热，进而实现控制单元U1对加热模块1的加热驱动控制。本实施例中，控制单元U1是通过驱动开关元件导通或截断来驱动加热模块进行工作或关闭。

控制单元U1对加热模块中的每一个加热单元进行打开或关闭的操作，同时控制单元U1可以通过测量模块2中的测量单元对应地采集各加热单元的电压和电流信息，再将电压和电流转换为阻值信息。测量模块2将每一个加热单元上发热导体RT的电压和电流信号转换为控制单元U1可以采集的范围之内。加热模块1的每个加热单元中包含有正温度系数的发热导体RT，当控制单元U1给出打开信号后，给发热导体RT加电压，电流流过发热导体RT后转换为热量，该热量提供给烘烤香烟，将每个加热单元中的发热导体RT立体均匀环绕包裹香烟，可以有效对香烟进行有序均匀烘烤，控制单元U1对每个加热单元进行分别控制，使热量可以集中在香烟中某个区域进行烘烤，持续释放烟雾，如对香烟整支同时烘烤，烟雾将会很快释放完成。

更进一步地，如图2所示，上述的开关元件包括MOS管Q1，具体地，该MOS管Q1为P-MOS管Q1。

上述的每个加热单元还包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2以及采样电阻R3；第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2各自的一端分别连接于开关元件MOS管Q1的控制脚(即栅极，G极)和电源输入脚(即源极，S极)，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2的另一端连接后与控制单元U1的控制端口243连接，开关元件MOS管Q1的输出脚(即漏极，D极)与一采样电阻R3一端连接，采样电阻R3的另一端通过发热导体RT接地。

根据P-MOS管的特性，当栅极与源极之间的电压Vgs小于一定值时，MOS管Q1就会导通，反之会截止；如图2中，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2和控制单元U1的控制端口243的输出电平，该输出电平为P-MOS管Q1提供栅极与源极之间的电压Vgs，当控制单元U1端口243输出高电平时，P-MOS管Q1的栅极与源极之间电压Vgs约为0V，不满足MOS管Q1导通条件，MOS管Q1保持截止；当控制单元U1端口243输出低电平时，MOS管Q1的栅极与源极之间电压Vgs为负值，通过控制单元U1端口243输出电平高低值可使栅极与源极电压Vgs在-0.8～-2.0v范围内，使MOS管Q1进入导通状态。

MOS管Q1做为电子开关作用，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2为MOS管Q1提供合适的配置电压，通过控制单元U1的控制端口243提供高电平使MOS管Q1处于关闭作用，通过控制单元U1的控制端口243提供低电平使MOS管Q1处于导通作用。

另外，上述的测量单元包括一电流放大器。

采样电阻R3为电流采样电阻，流过发热导体RT的电流等于流过采样电阻R3的电流，电流流过采样电阻R3，在采样电阻R3的两端产生电压，由于采样电阻R3的阻值比较小，因此在采样电阻R3的两端的电压也比较小，经电流放大器放大若干倍后，转换为合适AD采样的电压VI，该电压VI被控制单元U1的第一采集端口241采集。对电流采样电阻R3要求阻值小，精度控制在1％。

上述的测量单元中发热导体RT上的电压经隔离电阻R4后，由控制单元U1的第二采集端口242采集后获得另一电压VT。

发热导体RT具有正温度系数特性，阻值随温度上升而增大，通过发热导体RT的阻值大小，反映出温度的大小。

优选地，控制单元U1型号为STM32F030CBT6，其中控制端口243具有PWM输出功能，第一采集端口241和第二采集端口242有模数信号转化(AD)功能。

本实施例中，控制单元U1提供四路PWM控制信号分别控制加热模块1中的四个加热单元(11,12,13,14)。控制单元U1提供八路AD转换信号，用于控制测量模块2中的四个测量单元(21,22,23,24)，且每个测量单元对应两路AD转换信号。

假设控制单元U1在第一采集端口241读取的电压为VI，在第二采集端口242读取的电压为VT，则发热导体RT的阻值为：

R＝K*VT/VI，其中，K为电流放大器电流转换电压系数。

如图4所示，对于上述控制单元U1提供的四路PWM控制信号情况如下：

t0～t7为加热单元11工作时间段；

t2～t13为加热单元12工作时间段；

t8～t19为加热单元13工作时间段；

t14～t20为加热单元14工作时间段。

具体如下：

第一阶段，t0～t7时间段，加热单元11工作：

t0～t1时间段，时间t0开始，加热单元11保持P-MOS管Q1导通状态，加热单元11对发热导体RT加热，使发热导体RT的温度快速达到T3。

t1～t7时间段，间隔时间周期测量发热导体RT阻值大小，并与目标温度T3进行PID运算，得到PWM占空比的控制量；随后调整控制端口243输出PWM占空比的大小控制P-MOS管Q1的导通或关闭，使发热导体RT温度保持在T3；t7时间点之后，加热单元11的P-MOS管Q1保持关闭状态。

第二阶段，t2～t13时间段，加热单元12工作：t2～t3时间段，打开加热单元12的P-MOS管Q1，使发热导体RT的温度快速上升到T1。

t3～t4时间段，调整PWM的占空比保持加热单元12温度为T1。

t4～t5时间段，打开加热单元12的P-MOS管，使发热导体RT的温度快速上升到T2。

t5～t6时间段，调整PWM的占空比保持加热单元12的温度为T2。

t6～t7时间段，打开加热单元12的P-MOS管Q1，使温度快速上升到T3。

t7～t13时间段，调整控制PWM的占空比保持加热单元12温度为T3，t13之后加热单元12的P-MOS管Q1保持关闭状态。

第三阶段，t8～t19时间段，加热单元13工作：

t8～t9时间段，打开加热单元13的P-MOS管，使发热导体RT的温度快速上升到T1。

t9～t10时间段，调整PWM的占空比保持加热单元13温度为T1。

t10～t11时间段，打开加热单元13的P-MOS管Q1，使发热导体RT的温度快速上升到T2。

t11～t12时间段，调整PWM的占空比保持加热单元13温度为T2。

t12～t13时间段，打开加热单元13的P-MOS管Q1，使发热导体RT的温度快速上升到T3。

t13～t19时间段，调整控制PWM的占空比保持加热单元13温度为T3；t19时间点之后，加热单元3的P-MOS管Q1保持关闭状态。

第四阶段，t14～t20时间段，加热单元14工作：

t14～t15时间段，打开加热单元14的P-MOS管，使发热导体RT的温度快速上升到T1；

t15～t16时间段，调整PWM的占空比保持加热单元14温度为T1；

t16～t17时间段，打开加热单元14的P-MOS管Q1，使发热导体RT的温度快速上升到T2；

t17～t18时间段，调整PWM的占空比保持加热单元14温度为T2；

t18～t19时间段，打开加热单元14的P-MOS管Q1，使发热导体RT的温度快速上升到T3；

t19～t20时间段，调整控制PWM的占空比保持加热单元14温度为T3；t20之后加热单元4的P-MOS管Q1保持关闭状态。

t20～t21时间段，为自然冷却时间，关闭四个加热模块1中的所有P-MOS管Q1后，发热导体RT内部的余温还比较高，需等待一段时间温度恢复到常温后再允许下一次操作。

发热导体RT具有温度感应特性，电子加热装置中不需要另外再加温度传感器，减少安装温度传感器的空间，不必考虑温度传感器安装的位置引起温度不一致性问题。

该电子加热装置的加热方式可以有效对香烟进行充分立体环绕烘烤，加热温度控制精确，烘烤香烟后均匀释放烟雾给抽烟者抽食，四个加热单元分时协做，功率分时增加，使烘烤更充分，烟雾释放更加均匀，同时也节约能耗。

对香烟进行环形包裹烘烤，由外而内烘烤，由下而上对香烟加热，加热单元11对前端香烟进行大功率烘烤，释放前端香烟的烟雾，同时加热单元12使用较低的功率对相邻部分的香烟进行预热，前端香烟烘烤完成后，启用加热单元12大功率烘烤相邻部分香烟，保证了烟雾释放的均匀和持续。4个加热单元协同迭代对整根香烟进行有序加热，不会使香烟一下全部被烘烤完成。

如图1所示，对于上述的一种电子加热装置，通过设置环绕着香烟间隔布置的加热模块以及若干个用于检测加热模块的电流和电压的测量模块2，由控制单元根据测量模块输送的数据，进而控制加热模块的加热温度为目标温度，实现对普通香烟进行直接烘烤加热，烘烤香烟后均匀释放烟雾给抽烟者抽食，加热模块环绕着香烟间隔布置，使得烘烤更充分，香烟的香烟气释放更加均匀，节约能耗。

另外，本发明还提供了上述的电子加热装置的加热方法，如图3所示，该方法包括：

启动加热模式；

加热单元进行加热；

检测发热导体RT的阻值，估计发热导体RT表面的温度；

判断发热导体RT表面的温度是否到达目标温度；

若否，则返回加热单元进行加热的步骤；

若是，则保持目标温度进行烘烤香烟，并调整控制单元U1的PWM输出占空比；

保持目标温度烘烤一段时间后，关闭加热模式。

发热导体的加热启动后，四个加热单元进行全速工作，通过检测发热导体RT的阻值大小可以估计出发热导体RT表面的温度，当发热导体RT表面的温度达到预设的目标温度后，保持该目标温度进行烘烤香烟。在温度保持阶段，间隔周期时间读取发热导体RT的阻值大小，将发热导体RT阻值与目标阻值进行PID运算，可以得到一个控制PWM占空比的控制量。间隔周期调整控制单元U1的端口243的PWM占空比，可维持目标温度，在目标温度烘烤若干时间后，香烟已经被充分烘烤，不再有烟雾释放，这时控制单元U1关闭加热单元。

实施例二

在本实施例中，如图5所示，测量模块2中的测量单元的数量是一个，也即是说，测量单元也就是测量模块2。四个加热单元(11,12,13,14)通过测量模块2共同测出发热体RT的平均温度，并且每个加热单元(11,12,13,14)被一个温度值所控制，这个温度值来源于四个加热单元(11,12,13,14)共同测出的发热体RT的平均温度值。

发热体的加热过程、控制单元U1的控制过程、加热单元设计结构以及测量单元的设计机构均与实施例中的相一致，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (2)

1.一种电子加热装置，其特征在于，包括控制单元U1、加热模块以及测量模块；所述控制单元U1，用于输出控制信号，驱动加热模块进行工作或关闭；所述加热模块，用于对香烟进行加热；所述测量模块，用于采集加热模块的电压和电流信息，将电压和电流转换为阻值信息，传输至控制单元U1，以供控制单元U1调节控制信号，驱动加热单元工作时的电压和电流保持在控制单元U1允许的范围内；所述加热模块包括四个加热单元，四个所述加热单元环绕在香烟的外周；所述测量模块包括四个测量单元；所述加热单元包括开关元件以及发热导体RT，通过控制单元U1驱动开关元件导通或截断，以驱动发热导体RT加热或关闭加热；所述开关元件包括MOS管Q1；所述加热单元还包括第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2；所述加热单元还包括采样电阻R3；所述测量单元包括电流放大器；所述控制单元U1的型号为STM32F030CBT6；所述测量单元还包括隔离电阻R4。

2.一种使用权利要求1所述电子加热装置的加热方法，其特征在于，所述方法包括：

启动加热模式；

加热单元进行加热；

检测发热导体RT的阻值，估计发热导体RT表面的温度；

判断发热导体RT表面的温度是否到达目标温度；

若否，则返回加热单元进行加热的步骤；

若是，则保持目标温度进行烘烤香烟，并调整控制单元U1的PWM输出占空比；

保持目标温度烘烤一段时间后，关闭加热模式。