CN109656283B - 基于分时处理的发热丝的温度控制电路及温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分时处理的发热丝的温度控制电路及温度控制方法，包括MCU、分压电阻、锂电池电源、复位按键和第一电控控制开关，所述的第一电控控制开关和分压电阻串联在发热丝和锂电池电源之间，还包括有第二电控控制开关，所述的第二控制开关并联在第一电控控制开关和分压电阻串联后的电路两端。本发明通过设定增加第二控制开关，并对加热电路进行变化，从而能够通过开关跳整控制加热丝的加热时间，从而通过加热时间的控制调整最后使烟丝的加热温度与设定温度相同，而且大大增加了测量温度调整的精度，从而使温度的调整其更具有可靠性以及可应用的范围。
Description
技术领域
本发明涉及烟叶发热丝温度控制技术领域，尤其涉及基于分时处理的发热丝的温度控制电路及温度控制方法。
背景技术
目前，该新型卷烟通过发热丝加热产香物质使之产生烟雾，发热丝通常有不锈钢丝和镍丝等金属材料。
金属材料的电阻和温度相关就是电阻温度系数（temperature coefficient ofresistance 简称TCR）表示电阻当温度改变1℃时，电阻值的相对变化，单位为ppm/℃（即10E（-6）/℃）。金属材料的电阻也会随着温度的变化而改变。目前电子烟的温控技术就是依据金属的这个特性来实现温控功能。
例如：电子烟不锈钢发热丝在室温下25℃的阻值为1Ω，通电后随着温度到125℃时，电阻变为1.12Ω，在225℃的时候又变成了1.24Ω，在325℃的时候变为1.36Ω，根据这样的阻值变化规律，通过测得当前不锈钢发热丝的电阻值，就能计算出不锈钢发热丝的当前温度。
在电子烟中，“发热丝”负责加热、蒸发烟油，从而产生雾气。发热丝常用不锈钢丝，室温下25℃的阻值为1.0Ω。发热丝可采用片状、针状、锥状等结构，也可采用这几种形状的组合成多加热丝结构。
现有烟叶发热丝中温度控制电路如图1中当按键K按下，U1发出控制信号控制U3打开，发热丝开始工作，由于R1采样电阻阻值小（采样电阻串在主路中，消耗的功率是无用功率，阻值选用1mΩ），Va和Vb两电压差值信号很小（小于10mv），如直接输入到U1的ADC口，ADC由于取样误差的存在，经U1数模变换后，Va和Vb两电压差值信号转换为数字信号后基本为零，为解决此问题，因此要用高增益差分运算放大器U2，运算出（Va-Vb）再放大增益100倍后，输出信号到U1的ADC2输入口，Vb电压信号直接输入U1的ADC1口。
发热丝的当前电阻:Rt=( R1*Vb)/ (Va-Vb)=(0.001XVb)/ (Va-Vb)Ω,利用电阻对应的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度T。
但是现有的电路中取样电阻R1要采用精密合金电阻，精密合金电阻和高增益差分运算放大器的价格高，因此电路成本高。而且采用高增益差分运算放大器U2易受工作环境温度影响，随工作环境温度变化而引起测量精度下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分时处理的发热丝的温度控制电路及温度控制方法，能够解决现有热丝的温度控制电路成本高、测量精度低的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种基于分时处理的发热丝的温度控制电路，包括MCU、分压电阻、锂电池电源、复位按键和第一电控控制开关，所述的第一电控控制开关和分压电阻串联在发热丝和锂电池电源之间，还包括有第二电控控制开关，所述的第二控制开关并联在第一电控控制开关和分压电阻串联后的电路两端；所述的第二控制开关、分压电阻和发热丝三者接触点通过导线与PLC的第一模拟量输入端口，第一控制开关与分压电阻的接触点通过导线与MCU的第二模拟量输入端口。
所述的分压电阻为碳膜电阻。
基于上述分时处理的发热丝的温度控制电路的控制方法，包括如下步骤：
A：当按键K按下, 启动温度控制电路，设定第一电控开关U3，第二电控开关U4二者以t(10ms)为一个周期交替打开工作，其中加热时间为t2、计算时间为t1，闲置时间为t3，其中
t= t1+t2+t3；
B：第一个周期t内，设定加热时间t2=t-t1，然后计算t2时间内DSP/MCU根据ADC1和ADC2输入口采集到的Va和Vb的值，计算出发热丝的当前电阻：发热丝的当前电阻:Rt=( R1*Vb)/ (Va-Vb)Ω，利用当前电阻的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值T1；
C：如果T1的值与设定值相同，则下个加热周期可以按照此加热周期中的加热时间和闲置时间的分配比准进行周期加热，从而完成温度控制；否则，如果T1的值与设定值不相同，则需要调整单个周期内的加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
D：当前周期的加热过程按照上个周期调整后得到时间和闲置时间的比重进行加热和停止，最后再进行加热电阻的温度测量，将得到测量的温度值与设定值比较，再次比较；如果测量的温度值与设定值相同，则不用调整时间和闲置时间的比重，继续下个周期的加热；如果测量的温度值与设定值不相同，则再次调整个周期内的加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
E，重复步骤D，直至完成最后整个发热丝的温度控制过程。
所述的周期t为10ms。
所述的计算时间t1为0.2ms。
所述的步骤C中的调整加热时间采用比例调整法，具体包括为：通过如下公式计算t1’=（1-(T1-T/T)）*t2，t1’为加热时间为t2的周期所在下个周期的运行加热时间。
所述的步骤C与步骤D中的温度设置值相同或不同。
所述的步骤C与步骤D中的温度设置值相同时，代表发热丝处于恒温控制。
所述的步骤C与步骤D中的温度设置值不同时，代表发热丝处于增温控制。
本发明通过设定增加第二控制开关，并对加热电路进行变化，从而能够通过开关跳整控制加热丝的加热时间，从而通过加热时间的控制调整最后使烟丝的加热温度与设定温度相同，而且大大增加了测量温度调整的精度，从而使温度的调整其更具有可靠性以及可应用的范围。
附图说明
图1为现有发热丝温度控制电路图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明所述控制信号B的波形图；
图4为本发明所述控制信号A的波形图；
图5为本发明所述发热丝电压Vb的波形图；
图6为本发明所述发热丝电压Va的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，本发明包括MCU、分压电阻、锂电池电源、复位按键和第一电控控制开关，所述的第一电控控制开关和分压电阻串联在发热丝和锂电池电源之间其特征在于：还包括有第二电控控制开关，所述的第二控制开关并联在第一电控控制开关和分压电阻串联后的电路两端；所述的第二控制开关、分压电阻和发热丝三者接触点通过导线与PLC的第一模拟量输入端口，第一控制开关与分压电阻的接触点通过导线与MCU的第二模拟量输入端口。
所述的分压电阻为碳膜电阻。
一种基于分时处理的发热丝的温度控制电路的控制方法，包括如下步骤：
A：当按键K按下, 启动温度控制电路，设定第一电控开关U3，第二电控开关U4二者以t(10ms)为一个周期交替打开工作，其中加热时间为t2、计算时间为t1，闲置时间为t3，其中
t= t1+ t2+t3；
B：第一个周期t内，设定加热时间t2=t-t1，然后计算t2时间内DSP/MCU根据ADC1和ADC2输入口采集到的Va和Vb的值，计算出发热丝的当前电阻：发热丝的当前电阻:Rt=( R1*Vb)/ (Va-Vb)Ω，利用当前电阻的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值T1；
C：如果T1的值与设定值相同，则下个加热周期可以按照此加热周期中的加热时间和闲置时间的分配比准进行周期加热，从而完成温度控制；否则，如果T1的值与设定值不相同，则需要调整单个周期内的加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
D：当前周期的加热过程按照上个周期调整后得到时间和闲置时间的比重进行加热和停止，最后再进行加热电阻的温度测量，将得到测量的温度值与设定值比较，再次比较；如果测量的温度值与设定值相同，则不用调整时间和闲置时间的比重，继续下个周期的加热；如果如果测量的温度值与设定值不相同，则再次调整个周期内的加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
E，重复步骤D，直至完成最后整个发热丝的温度控制过程
所述的周期t为10ms，周期的长短理论上越小越好，这样每个周期内的闲置时间就会变小，从而使计算得到的温度值更加接近真实值，闲置时间过长，温度会回落，误差增大。但是过小的话由于需要给加热的时间以及加热调整时间进行空余，所以过小可能加热调整局限性比较大。
所述的计算时间t1为0.2ms，此时间为MCU的运算时间，具体的与MCU的运算能力以及程序的设计优劣有关。
所述的步骤C中的调整加热时间采用比例调整法，具体包括为：通过如下公式计算t1’=（1-(T1-T/T)）*t2，t1’为加热时间为t2的周期所在下个周期的运行加热时间。
利用图一的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值。在一个t(10ms)周期内，控制信号B控制U4打开,此时控制信号A控制U3一直关断，时长是 t2（9.8ms），
此时间内发热丝处于工作状态。
接下来，控制信号B控制U4关断，控制信号A控制U3打开，时长是 t1（0.2ms），此时间内MCU在测量发热丝的当前电阻，并通过计算得出发热丝的当前温度。
t2时间内，发热丝加热做功，取样电阻R1电压Va的波形如图6所示。
在t2时间内，Va和Vb的值一样，DSP/MCU只监控发热丝的工作状况。
t1时间内DSP/MCU根据ADC1和ADC2输入口采集到的Va和Vb的值，计算出发热丝的当前电阻：发热丝的当前电阻:Rt=( R1XVb)/ (Va-Vb) =Vb/ (Va-Vb)Ω。
利用图一的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值。
本发明是发热丝大电流加热和小电流测量电阻两种模式分时交替进行。利用发热丝有一定的热容量，温度变化慢的特性。两种模式的切换频率足够快（100hz），发热丝在一个交替周期内（时间10ms），温度变化小于1℃，能够满足电子烟温控的要求。
本发明的控制过程主要是指电控开关U3，U4以t(10ms)为一个周期交替打开工作，当按键K按下,在一个t(10ms)周期内，控制信号B控制U4打开,此时控制信号A控制U3一直关断，时长是 t2（9.8ms），
此时间内发热丝处于工作状态。如下图3，图4所示：接下来，控制信号B控制U4关断，控制信号A控制U3打开，时长是 t1（0.2ms），此时间内MCU在测量发热丝的当前电阻，并通过计算得出发热丝的当前温度。因此发热丝工作时的其两端电压Vb的波形如下图5：t2时间内，发热丝加热做功，取样电阻R1电压Va的波形图如图6。在t2时间内，Va和Vb的值一样，DSP/MCU只监控发热丝的工作状况。
t1时间内DSP/MCU根据ADC1和ADC2输入口采集到的Va和Vb的值，计算出发热丝的当前电阻：发热丝的当前电阻:Rt=( R1XVb)/ (Va-Vb) =Vb/ (Va-Vb)Ω利用电阻的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值。
该技术是发热丝大电流加热和小电流测量电阻两种模式分时交替进行。利用发热丝有一定的热容量，温度变化慢的特性。两种模式的切换频率足够快（100hz），发热丝在一个交替周期内（时间10ms），温度变化小于1℃，能够满足电子烟温控的要求。
本发明中的取样电阻R1可以采用普通碳膜电阻，且不需要高增益差分运算放大器，电路成本很低。而且不需要高增益差分运算放大器的引入误差，测量精度高。R1的阻值范围：1.0Ω~5.0Ω，发热丝的阻值范围：0.7Ω~1.5Ω。
电控开关指的是：开关功率PMOS管或开关功率PNP三极管，U1所取型号：LGT328P、LGT690、PMS132、PMS133、SN7052B、SN8F5703 MM32F031xx、M058/M0516等。
Claims (8)
1.基于分时处理的发热丝的温度控制电路，包括MCU、分压电阻R1、锂电池电源、复位按键K和第一电控控制开关U3，所述的第一电控控制开关U3和分压电阻R1串联在发热丝和锂电池电源之间，其特征在于：还包括有第二电控控制开关U4，所述的第二电控控制开关U4并联在第一电控控制开关U3和分压电阻R1串联后的电路两端；所述的第二电控控制开关U4、分压电阻R1和发热丝三者接触点通过导线连接MCU的第一模拟量输入端口ADC1，第一电控控制开关U3与分压电阻R1的接触点通过导线与MCU的第二模拟量输入端口ADC2相连；基于分时处理的发热丝的温度控制电路的温度控制过程，包括如下步骤：
A：当复位按键K按下, 启动温度控制电路，设定第一电控控制开关U3、第二电控控制开关U4二者以t为一个周期交替打开工作，其中加热时间为t2、计算时间为t1，闲置时间为t3，其中
t= t1+t2+t3；
B：第一个周期t内，第二电控控制开关U4闭合，第一电控控制开关U3打开以设定加热时间t2=t-t1进行加热；加热完毕后，第二电控控制开关U4断开，第一电控控制开关U3闭合t1时间，然后计算t1时间内MCU根据第一模拟量输入端口ADC1和第二模拟量输入端口ADC2采集到的Va和Vb的值，计算出发热丝的当前电阻：发热丝的当前电阻:Rt=( R1*Vb)/ (Va-Vb)Ω，利用当前电阻的温度和电阻关系曲线，计算得出当前发热丝的温度值T1；
C：如果T1的值与设定值相同，则下个加热周期按照此加热周期中的加热时间和闲置时间的比重进行周期加热，从而完成温度控制；否则，如果T1的值与设定值不相同，则需要调整单个周期内的加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
D：当前周期的加热过程按照上个周期调整后得到的加热时间和闲置时间的比重进行加热和停止，最后再进行发热丝的温度测量，将测量的温度值与设定值比较；如果测量的温度值与设定值相同，则不用调整加热时间和闲置时间的比重，继续下个周期的加热；如果测量的温度值与设定值不相同，则再次调整加热时间和闲置时间的比重，然后进行下一个周期加热；
E，重复步骤D，直至完成最后整个发热丝的温度控制过程。
2.根据权利要求1所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的分压电阻为碳膜电阻。
3.根据权利要求1所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的周期t为10ms。
4.根据权利要求3所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的计算时间t1为0.2ms。
5.根据权利要求4所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的步骤C中的调整加热时间采用比例调整法。
6.根据权利要求5所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的步骤C与步骤D中的温度设置值相同或不同。
7.根据权利要求6所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的步骤C与步骤D中的温度设置值相同时，代表发热丝处于恒温控制。
8.根据权利要求6所述的基于分时处理的发热丝的温度控制电路，其特征在于：所述的步骤C与步骤D中的温度设置值不同时，代表发热丝处于增温控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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