CN114415755A - 一种有防失效功能的加热系统及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有防失效功能的加热系统及加热方法，包括加热电源，加热电源通过继电器控制，加热电源用于给加热模块加热；继电器控制电路，用于接通或者关断继电器，继电器接通、通过继电器控制的加热电源给加热模块加热，继电器断开、通过继电器控制的加热电源停止给加热模块加热；加热电路，用于接收单片机电路输出的PWM波，加热电路包括MOS管M1，加热电路控制MOS管M1的开关，防止单片机死机时加热系统失控；电流采样放大电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，并将检测结果传输至单片机。本申请无论在什么状态下，系统失控都将通过硬件来关闭加热控制，来保证整个系统不失控。

Description

一种有防失效功能的加热系统及加热方法

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，主要涉及一种有防失效功能的加热系统及加热方法。

背景技术

医疗器械在使用过程中有许多用到加热的地方，比如说理疗产品、免疫组化等。现有技术大部分是通过直接加热和温度传感器反馈达到温度停止加热，或则通过PWM可调波形控制加热速度完成温度的PID调节。现有技术的缺点是通过高电平或者低电平来决定开关管开通的，或者通过控制开关（包括继电器）来直接控制加热，只要在一个加热的状态就一直加热。如果控制系统或者程序失控容易造成一直在加热，造成高温，严重情况下会发生火灾。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种有防失效功能的加热系统及加热方法。无论在什么状态下，系统失控都将通过硬件来关闭加热控制，来保证整个系统不失控。

本发明的技术方案是：

一种有防失效功能的加热系统，包括单片机、加热模块、继电器、继电器控制电路、加热电路、电流采样放大电路、电流放大开通继电器电路；

所述加热电源通过继电器控制，加热电源用于给加热模块加热；

所述继电器控制电路，用于接通或者关断继电器，继电器接通、通过继电器控制的加热电源给加热模块加热，继电器断开、通过继电器控制的加热电源停止给加热模块加热；

所述加热电路，用于接收单片机电路输出的PWM波，加热电路包括MOS管M1，加热电路控制MOS管M1的开关，防止单片机死机时加热系统失控；

所述电流采样放大电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，并将检测结果传输至单片机；

所述电流放大开通继电器电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，通过放大后传输至继电器控制电路。

作为优选，还包括温度采样电路，所述温度采样电路，用于采集加热模块的温度，并将采集信号传输至单片机。

作为优选，还包括热保护开关，所述热保护开关温度高时自动熔断，用于保护加热模块。

作为优选，所述加热电路包括三极管Q1、三极管Q2、MOS管M1、二极管D1，所述二极管D1的正极串联电容C1后与单片机的PWM1连接；所述二极管D1的负极并联有电阻R1和电容C2，所述电阻R1的另一端同时与三极管Q2的基极、电阻R2的一端连接，所述电容C2的另一端同时与电阻R2的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的发射极共地连接；所述三极管Q2的集电极连接三极管Q1的基极且通过电阻R3连接至电源正极；所述三极管Q1的集电极连接MOS管M1的栅极且通过电阻R4连接至电源正极；所述MOS管M1的漏极与电源正极之间串联有电阻R9和热保护开关FU1；所述MOS管M1的源极通过采样电阻R5接地。

作为优选，所述电流采样放大电路包括运算放大器U3B，运算放大器U3B的U3B_5管脚并联有电阻R31、电阻R32、电容C32，电阻R31的另一端连接电源正极，电阻R32的另一端连接MOS管M1的源极，电容C32的另一端接地；运算放大器U3B的U3B_6管脚通过电阻R30接地、同时通过电阻R33连接至U3B_7管脚；运算放大器U3B的U3B_7管脚通过电阻R34连接至单片机的U1_24管脚。

作为优选，所述电流放大开通继电器电路包括运算放大器U3A，运算放大器U3A的U3A_3管脚并联有电阻R35、电阻R36、电容C35，电阻R36的另一端连接电源正极，电阻R35的另一端连接MOS管M1的源极，电容C35的另一端接地；运算放大器U3A的U3A_2管脚通过电阻R39接地、同时通过电阻R37连接至U3A_1管脚；运算放大器U3A的U3A_1管脚通过电阻R38连接至继电器控制电路。

作为优选，所述继电器控制电路包括三极管Q21、三极管Q22、二极管D20、继电器Relay；三极管Q21的发射极、三极管Q22的发射极共地连接；三极管Q21的基极并联电阻R20和电容C21，电阻R20的另一端通过电容C3连接至电阻R38，电容C21另一端接地；三极管Q21的集电极、三极管Q22的集电极共同连接至二极管D20的正极、继电器Relay的Re_4管脚，二极管D20的负极、继电器Relay的Re_3管脚共同连接至电源电源正极，继电器Relay的开关K8串联至加热模块的加热电源电路中；三极管Q22的基极并联电阻R21和电容C23，电阻R21的另一端通过电容C4连接至单片机的U1_38管脚，电容C23另一端接地。

作为优选，所述温度采样电路包括温度传感器R88、跟随器U7A和运算放大器U7B；温度传感器R88的一端接地，温度传感器R88的另一端并联电阻R86和电阻R89，电阻R89的另一端连接至电源正极，电阻R86的另一端并联电容C85和跟随器U7A的U7A_3管脚，电容C85的另一端接地；跟随器U7A的U7A_2管脚与U7A_1管脚电连接；跟随器U7A的U7A_1管脚连接至电阻R85的一端，电阻R85的另一端并联电容C82、电阻R83和运算放大器U7B的U7B_5管脚，电容C82和电阻R83的另一端共地；运算放大器U7B的U7B_6管脚并联电阻R81和电阻R82，电阻R81的另一端接地，电阻R82的另一端与运算放大器U7B的U7B_7管脚连接；运算放大器U7B的U7B_7管脚通过电阻R80连接至单片机的U1_25管脚。

基于有防失效功能的加热系统的加热方法，继电器的开启：开始加热时，先用单片机开通继电器；由于加热电路是一个有频率的信号，采样电阻R5通过电流放大开通继电器电路放大的也是一个有频率的信号，经过放大后开通过继电器控制信号，控制继电器；加热电路开通后，关闭单片机开通继电器的电路，单靠反馈信号开通继电器；电路的防加热失控保护功能：加热模块控制采用PWM波控制，占空比不能是100%和0%，避免单片机死机或者程序失控时后一直开通加热单元；温度单元有温度检测功能在单片机可以控制加热的温度；温度控制开关不超过温度控制开关的最高温度；在温度加热单元失控情况下，这时候会存在不受单片机控制一直加热；此时电流放大开通继电器电路就不会有频率的信号输出，由于反馈开通继电器的电路是通过有频率的信号才能开通，这时继电器单元不会再保持开通，电源切断，加热不再继续。

本发明的有益效果是：

本申请的有防失效功能的加热系统及加热方法，共两个闭环，一个加热闭环，是加热电路、温度检测和电流检测，用于温度的PID调节；一个是整个加热回路的闭环来维持继电器一直是开通的。本申请有一个硬件过热保护，即温度保护开关，温度达到额定值自动断开，可根据不同的需要采样不同温度的参数。本申请通过单片机程序控制加热和检测加热功率的大小（通过电流计算）；通过单片机的AD采样检测温度。通过单片机开通继电器，等待加热电路有反馈后，关闭单片机开继电器的信号，靠系统电路反馈维持继电器一直在开通。

本申请的加热系统的硬件是需要程序一直在运行才能加热，无论在什么状态下，系统失控都将通过硬件来关闭加热控制，来保证整个系统不失控，并加有防过热保护单元，温度反馈出现故障情况下也有一层保护。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的单片机系统电路；

图3是本发明中的加热控制电路；

图4是本发明中的电流采样放大电路；

图5是本发明中的电流放大用于开通继电器电路；

图6是本发明中的继电器控制电路；

图7是本发明中的温度检测电路；

图8是本发明中的电源电路一；

图9是本发明中的电源电路二。

具体实施方式

本发明的具体实施方式，参加附图1-9：一种有防失效功能的加热系统及加热方法，包括加热电源、单片机、加热模块、继电器、继电器控制电路、加热电路、电流采样放大电路、电流放大开通继电器电路。加热电源通过继电器控制，加热电源用于给加热模块加热。继电器控制电路，用于接通或者关断继电器，继电器接通、通过继电器控制的加热电源给加热模块加热，继电器断开、通过继电器控制的加热电源停止给加热模块加热。加热电路，用于接收单片机电路输出的PWM波，加热电路包括MOS管M1，加热电路控制MOS管M1的开关，防止单片机死机时加热系统失控。电流采样放大电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，并将检测结果传输至单片机。电流放大开通继电器电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，通过放大后传输至继电器控制电路。

有防失效功能的加热系统及加热方法还包括温度采样电路和热保护开关，温度采样电路，用于采集加热模块的温度，并将采集信号传输至单片机；热保护开关，热保护开关温度高时自动熔断，用于保护加热模块。

加热电路包括三极管Q1、三极管Q2、MOS管M1、二极管D1，二极管D1的正极串联电容C1后与单片机的PWM1连接。二极管D1的负极并联有电阻R1和电容C2，电阻R1的另一端同时与三极管Q2的基极、电阻R2的一端连接，电容C2的另一端同时与电阻R2的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的发射极共地连接。三极管Q2的集电极连接三极管Q1的基极且通过电阻R3连接至电源正极。三极管Q1的集电极连接MOS管M1的栅极且通过电阻R4连接至电源正极。MOS管M1的漏极与电源正极之间串联有电阻R9和热保护开关FU1。MOS管M1的源极通过采样电阻R5接地。

加热电路描述如下：

单片机PWM1输出一定频率的波形，通过二极管D1和电阻R1控制三极管Q1、三极管Q2的开关，来开通MOS管M1。

PWM1信号高电平时，通过二极管D1和电阻R1，三极管Q2的A点电压为高电平（即三极管Q2的基极为高电平），三极管Q2开通，三极管Q2的集电极和三极管Q1的基极B点为低电平；三极管Q1的集电极和MOS管M1的栅极为高电平（即C点），MOS管M1开通。

PWM1信号低电平时，通过二极管D1和电阻R1，三极管Q2的A点电压为低电平（即三极管Q2的基极为低电平），三极管Q2开通，三极管Q2的集电极和三极管Q1的基极B点为高电平；三极管Q1的集电极和MOS管M1的栅极为低电平，M1关闭。

其中加热电路的特点是通过PWM1调节开通的占空比，来控制加热的功率（即速度），但是由于电容C1的存在不能占空比是100%或者0%。

电流采样放大电路包括运算放大器U3B，运算放大器U3B的U3B_5管脚并联有电阻R31、电阻R32、电容C32，电阻R31的另一端连接电源正极，电阻R32的另一端连接MOS管M1的源极，电容C32的另一端接地；运算放大器U3B的U3B_6管脚通过电阻R30接地、同时通过电阻R33连接至U3B_7管脚；运算放大器U3B的U3B_7管脚通过电阻R34连接至单片机的U1_24管脚。

电流采样放大电路描述如下：

通过加热电路中采样采样电阻R5，采样Ir点的电压计算电流，通过电流采样放大电路放大后，用单片机通过AD采样检测，其电容C32和电容C33为滤波电容。

电流放大开通继电器电路包括运算放大器U3A，运算放大器U3A的U3A_3管脚并联有电阻R35、电阻R36、电容C35，电阻R36的另一端连接电源正极，电阻R35的另一端连接MOS管M1的源极，电容C35的另一端接地；运算放大器U3A的U3A_2管脚通过电阻R39接地、同时通过电阻R37连接至U3A_1管脚；运算放大器U3A的U3A_1管脚通过电阻R38连接至继电器控制电路。

电流放大开通继电器电路描述如下：

通过加热电路中采样采样电阻R5，采样电阻R5的采样点Ir的电压信号，通过放大（设计较高的放大倍数使输出为高电平接近VDD的脉冲信号）后。通过电阻R38和一个电容值较小的电容C34滤波，形成一个PWM2信号，由于PWM2信号是通过PWM1控制的电流信号采样过来的，PWM2信号频率等于PWM1。

继电器控制电路包括三极管Q21、三极管Q22、二极管D20、继电器Relay；三极管Q21的发射极、三极管Q22的发射极共地连接；三极管Q21的基极并联电阻R20和电容C21，电阻R20的另一端通过电容C3连接至电阻R38，电容C21另一端接地；三极管Q21的集电极、三极管Q22的集电极共同连接至二极管D20的正极、继电器Relay的Re_4管脚，二极管D20的负极、继电器Relay的Re_3管脚共同连接至电源电源正极，继电器Relay的开关K8串联至加热模块的加热电源电路中；三极管Q22的基极并联电阻R21和电容C23，电阻R21的另一端通过电容C4连接至单片机的U1_38管脚，电容C23另一端接地。

继电器控制电路描述如下：

1）一开始上电时通过单片机程序发出PWM3频率的波形，开通三极管Q22让继电器Relay吸合，当单片机检测到电流信号后，单片机不再发PWM3波形，关闭三极管Q22。

2）加热电路工作后，PWM2有一定频率的信号，通过电容C3，然后再经过电阻R2和电容C21的滤波，开通三极管Q21，开通继电器Relay。

为了让单片机开继电器Relay和电路反馈开继电器更好的衔接，可以在单片机检测到电流信号后延时一段时间后再关闭三极管Q22。

此电路主要特点为，PWM2一直是一个有频率的信号才能保证通过电容C3，维持继电器Relay一直闭合。如果MOS管M1损坏短路或者其控制电路故障或者Ir的放大电路故障，就不会有有占空比的信号，三极管Q21就不会开通，继电器Relay就不会一直保持系和状态。

温度采样电路包括温度传感器R88、跟随器U7A和运算放大器U7B；温度传感器R88的一端接地，温度传感器R88的另一端并联电阻R86和电阻R89，电阻R89的另一端连接至电源正极，电阻R86的另一端并联电容C85和跟随器U7A的U7A_3管脚，电容C85的另一端接地；跟随器U7A的U7A_2管脚与U7A_1管脚电连接；跟随器U7A的U7A_1管脚连接至电阻R85的一端，电阻R85的另一端并联电容C82、电阻R83和运算放大器U7B的U7B_5管脚，电容C82和电阻R83的另一端共地；运算放大器U7B的U7B_6管脚并联电阻R81和电阻R82，电阻R81的另一端接地，电阻R82的另一端与运算放大器U7B的U7B_7管脚连接；运算放大器U7B的U7B_7管脚通过电阻R80连接至单片机的U1_25管脚。

温度采样电路描述如下：

温度传感器R88随着温度的升高阻值变大，温度传感器R88和电阻R89构成分压电路，所分电压随着温度的升高而变化。经过电阻分压后的一个电压值通过跟随器U7A后，再经过运算放大器U7B放大5.1倍，通过AD采样（单片机的U1_25管脚）计算温度值。

基于有防失效功能的加热系统的加热方法：

继电器信号的开启：

1)开始加热时候，先用单片机开通继电器。

2)由于加热电路是一个有频率的信号，采样电阻R5通过电流放大开通继电器电路放大的也是一个有频率的信号，经过放大后开通过继电器控制信号，控制继电器。

3)加热电路开通后，关闭单片机开通继电器的电路，单靠反馈信号开通继电器。

电路的防加热失控保护功能：

1）加热模块控制采用PWM波控制，占空比不能是100%和0%（即一直是高电平或者低电平时MOS管M1不开），避免单片机死机或者程序失控时后一直开通加热单元。

温度单元有温度检测功能在单片机可以控制加热的温度。而且有温度控制开关可以不超过温度控制开关的最高温度（达到温度开关时温控开关可以自动断开，温度下降后恢复）。

在温度加热单元失控情况下，例如MOS管M1烧坏时候，有时候是通路状态，这时候会存在不受单片机控制一直加热。此时电流放大开通继电器电路就不会有频率的信号输出（输出的是直流信号，一个恒定的电压），由于反馈开通继电器电路是通过有频率的信号才能开通的，这时继电器单元不会再保持开通，电源切断，加热不再继续。

加热电源通过继电器控制，来给加热模块加热。加热模块内含热保护开关（温度高时可自动熔断，熔断温度可根据保护应用选择）。加热模块还含有温度传感器，来检测温度，形成温度PID调节控制。

加热电路用单片机控制，开关MOS管M1，并用加热的GND端接毫欧级的采样电阻，并通过运算放大器来放大采样信号，用单片机AD采样，来闭环加热电流的大小，温度的PID调节。

加热电路采用PWM波控制，采用有频率的信号控制MOS管M1的开关，防止单片机死机时候失控。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种有防失效功能的加热系统，其特征在于，包括加热电源、单片机、加热模块、继电器、继电器控制电路、加热电路、电流采样放大电路、电流放大开通继电器电路；

所述加热电源通过继电器控制，加热电源用于给加热模块加热；

所述继电器控制电路，用于接通或者关断继电器，继电器接通、通过继电器控制的加热电源给加热模块加热，继电器断开、通过继电器控制的加热电源停止给加热模块加热；

所述加热电路，用于接收单片机电路输出的PWM波，加热电路包括MOS管M1，加热电路控制MOS管M1的开关，防止单片机死机时加热系统失控；

所述电流采样放大电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，并将检测结果传输至单片机；

所述电流放大开通继电器电路，用于检测MOS管M1源极连接采样电阻R5电压信号，通过放大后传输至继电器控制电路。

2.根据权利要求1所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，还包括温度采样电路，所述温度采样电路，用于采集加热模块的温度，并将采集信号传输至单片机。

3.根据权利要求2所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，还包括热保护开关，所述热保护开关温度高时自动熔断，用于保护加热模块。

4.根据权利要求3所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，所述加热电路包括三极管Q1、三极管Q2、MOS管M1、二极管D1，所述二极管D1的正极串联电容C1后与单片机的PWM1连接；所述二极管D1的负极并联有电阻R1和电容C2，所述电阻R1的另一端同时与三极管Q2的基极、电阻R2的一端连接，所述电容C2的另一端同时与电阻R2的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的发射极共地连接；所述三极管Q2的集电极连接三极管Q1的基极且通过电阻R3连接至电源正极；所述三极管Q1的集电极连接MOS管M1的栅极且通过电阻R4连接至电源正极；所述MOS管M1的漏极与电源正极之间串联有电阻R9和热保护开关FU1；所述MOS管M1的源极通过采样电阻R5接地。

5.根据权利要求4所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，所述电流采样放大电路包括运算放大器U3B，运算放大器U3B的U3B_5管脚并联有电阻R31、电阻R32、电容C32，电阻R31的另一端连接电源正极，电阻R32的另一端连接MOS管M1的源极，电容C32的另一端接地；运算放大器U3B的U3B_6管脚通过电阻R30接地、同时通过电阻R33连接至U3B_7管脚；运算放大器U3B的U3B_7管脚通过电阻R34连接至单片机的U1_24管脚。

6.根据权利要求5所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，所述电流放大开通继电器电路包括运算放大器U3A，运算放大器U3A的U3A_3管脚并联有电阻R35、电阻R36、电容C35，电阻R36的另一端连接电源正极，电阻R35的另一端连接MOS管M1的源极，电容C35的另一端接地；运算放大器U3A的U3A_2管脚通过电阻R39接地、同时通过电阻R37连接至U3A_1管脚；运算放大器U3A的U3A_1管脚通过电阻R38连接至继电器控制电路。

7.根据权利要求6所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，所述继电器控制电路包括三极管Q21、三极管Q22、二极管D20、继电器Relay；三极管Q21的发射极、三极管Q22的发射极共地连接；三极管Q21的基极并联电阻R20和电容C21，电阻R20的另一端通过电容C3连接至电阻R38，电容C21另一端接地；三极管Q21的集电极、三极管Q22的集电极共同连接至二极管D20的正极、继电器Relay的Re_4管脚，二极管D20的负极、继电器Relay的Re_3管脚共同连接至电源电源正极，继电器Relay的开关K8串联至加热模块的加热电源电路中；三极管Q22的基极并联电阻R21和电容C23，电阻R21的另一端通过电容C4连接至单片机的U1_38管脚，电容C23另一端接地。

8.根据权利要求7所述的有防失效功能的加热系统，其特征在于，所述温度采样电路包括温度传感器R88、跟随器U7A和运算放大器U7B；温度传感器R88的一端接地，温度传感器R88的另一端并联电阻R86和电阻R89，电阻R89的另一端连接至电源正极，电阻R86的另一端并联电容C85和跟随器U7A的U7A_3管脚，电容C85的另一端接地；跟随器U7A的U7A_2管脚与U7A_1管脚电连接；跟随器U7A的U7A_1管脚连接至电阻R85的一端，电阻R85的另一端并联电容C82、电阻R83和运算放大器U7B的U7B_5管脚，电容C82和电阻R83的另一端共地；运算放大器U7B的U7B_6管脚并联电阻R81和电阻R82，电阻R81的另一端接地，电阻R82的另一端与运算放大器U7B的U7B_7管脚连接；运算放大器U7B的U7B_7管脚通过电阻R80连接至单片机的U1_25管脚。

9.基于权利要求8所述的有防失效功能的加热系统的加热方法，其特征在于：继电器的开启：开始加热时，先用单片机开通继电器；由于加热电路是一个有频率的信号，采样电阻R5通过电流放大开通继电器电路放大的也是一个有频率的信号，经过放大后开通过继电器控制信号，控制继电器；加热电路开通后，关闭单片机开通继电器的电路，单靠反馈信号开通继电器；电路的防加热失控保护功能：加热模块控制采用PWM波控制，占空比不能是100%和0%，避免单片机死机或者程序失控时后一直开通加热单元；温度单元有温度检测功能在单片机可以控制加热的温度；温度控制开关不超过温度控制开关的最高温度；在温度加热单元失控情况下，这时候会存在不受单片机控制一直加热；此时电流放大开通继电器电路就不会有频率的信号输出，由于反馈开通继电器的电路是通过有频率的信号才能开通，这时继电器单元不会再保持开通，电源切断，加热不再继续。

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