CN117032353A - 一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，为了提高升温速度，本发明在发热垫内增设了支持PD快充的PD握手芯片，并在电路板上设置了PD快充输出电路和普通输出电路，可以同时满足常规充电宝供电使用以及快充电源供电使用。为了解决因快充导致的温度过冲问题，本发明将热敏电阻直接安装在电阻丝上，保证了测温的准确性及温度反馈的及时性；并且在快充模式下采用分段式控制，对于远低于设定温度的升温阶段采用比例控制器提高输出功率使其快速升温，升温至接近设定温度的阶段，则改为PI控制器进行控制，减缓升温速度，避免出现温度过冲问题。
Description
技术领域
本发明涉及发热垫的控制，具体涉及一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法。
背景技术
保健理疗发热垫是通过内部的电阻丝持续发热对关节、腰部、颈椎等部位进行持续热敷，以促进血管扩张、改善局部血液循环，为疾病快速恢复提供更好的理疗效果。
现有市面上出售的理疗发热垫多采用普通充电宝为其供电，以5V慢充控制充电为主流。现有技术中的理疗发热垫其存在以下不足：（1）升温速度较慢；（2）升温过程中容易出现温度过冲问题。温度过冲是指实际温度值超过设定温度允许温差范围的情况。发明人对现有技术中的理疗发热垫进行技术分析，发现现有技术中理疗发热垫内部的热敏电阻通常安装在相邻的电阻丝之间（如公告号为CN216357360U图1所示情况），由于热敏电阻距离电阻丝有一定的距离，热敏电阻反馈给控制器的实测温度值要低于电阻丝实际发热带来的温升，这正是导致出现温度过冲问题的主要原因。再者，现有技术中的理疗发热垫的温度控制主要采用传统单段式PID控制器进行控制，不仅升温速度慢，也并不能很好的解决温度过冲问题。
保健理疗发热垫作为医用辅助产品，其安全性能要求比其他领域更为严格，温度过冲问题对于使用该产品的患者有潜在的安全隐患。现有技术中的发热垫当采用大功率适配器为其供电以提高温升速度时，这种单段式PID控制方式会直接加剧温度过冲问题，因此，现有市售理疗发热垫大多不支持快充模式。
发明内容
本发明公开一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，能够解决上述现有技术中存在的升温速度慢及存在温度过冲问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，所述保健理疗发热垫包括PD握手芯片、MCU、热敏电阻及电阻丝，热敏电阻安装于电阻丝上，供电电路包括PD快充供电电路和普通充电供电电路；
MCU先进行PD协议检测，然后基于MCU的实际输出电压值来确定调用的控制模式：若检测到不支持PD协议，则调用普通充电PID控制模式；若检测到支持PD协议，且实际输出电压值大于设定电压阈值则调用PD快充PID控制模式；若检测到支持PD协议，且实际输出电压值小于设定电压阈值则调用普通充电PID控制模式；
PD快充PID控制模式采用分段式控制，MCU内设定温度最大值及温差阈值，MCU实时计算热敏电阻反馈的实测温度与温度最大值之差后得到温差，将该温差与温差阈值进行比较，若温差大于或等于温差阈值，则采用比例控制器进行控制，若温差小于温差阈值，则采用PI控制器进行控制。
进一步，所述设定电压阈值为7V。
进一步，所述温差阈值为5℃。
进一步，采用比例控制器控制时，P设定为10～20。
进一步，P设定为15。
进一步，采用PI控制器控制时，P设定为3～7，I设定为1～5。
进一步，P设定为5，I设定为3。
本发明所设计的理疗发热垫，既支持普通充电（慢充），也支持PD快充，其中快充选用PD握手芯片来提高理疗发热垫的升温速度。另外，本发明将热敏电阻直接安装在电阻丝上，保证了测温的准确性及温度反馈的及时性。为了解决因快速升温导致的温度过冲问题，本发明快充PID模式下采用分段式控制，对于当前温度远低于设定温度的升温阶段采用比例控制器提高输出功率使其快速升温；升温至接近设定温度的阶段，则改为PI控制器进行控制，减缓升温速度，避免出现温度过冲问题。本发明通过热敏电阻安装位置的改变并配合分段式控制方式，不仅提高了理疗发热垫的升温速度，也克服了温度过冲问题。
附图说明
图1为本发明快速升温控制方法流程图；
图2为本发明实施例中采用分段式快充控制部分的流程图；
图3为本发明实施例中发热垫的TYPEC接口电路图；
图4为本发明实施例中发热垫的PD快充芯片电路图；
图5为本发明实施例中发热垫的电压检测电路图；
图6为具体示例中对某款加热垫仅使用PD快充芯片加快温升速度，但仍按照传统单段式PID控制下的升温曲线图；
图7为对图6中的同款加热垫使用本发明PD快充芯片及分段式控制方法后的升温曲线图。
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。
本发明主要针对保健理疗发热垫的温度控制进行技术改进，相比于现有只允许普通充电供能的发热垫而言，本发明额外提供了支持PD快充的供电方式，为用户多提供了一种选择。
PD快充是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范，主要以输出大电压小电流方式提供输出功率。现有技术中常见的快充芯片，则以输出大电流为主，但因这种快充芯片多为私有协议，使用受到一定的限制，而PD协议属于公有协议，因此本发明基于PD握手芯片来设计快充电路更具有现实意义。
本发明所设计的理疗发热垫，采用MCU作为主控单元，采用热敏电阻NTC来采集温度，本发明将热敏电阻直接安装在电阻丝上，可以更及时、更准确的将实测温度反馈给MCU。本发明的快速升温控制方法如图1所示，其中在供电电路部分本发明提供了两种供电电路，一种是支持PD快充协议的PD快充输出模式，另一种是支持FCP协议的普通输出模式。本实施例供电电路的TYPEC接口电路如图3所示，本实施例的PD快充芯片电路如图4所示（该芯片支持PD2.0协议，可提供9V2A输出）。
图1中给出的5V输出是以常见的普通充电宝输出电压为例展示，若用户手中只有普通充电宝（多为5V电压输出）时，MCU将自动选择与普通充电宝适配的普通充电PID控制模式（即图1中的普通充电宝PID控制）对温度进行控制管理。当用户采用支持PD快充的充电宝为发热垫供电时，且输出电压满足设定要求，则MCU将选择本发明设计的PD快充PID控制模式对温度进行控制管理。
具体说明如下：本实施例中，当外部电源通过TYPEC接口电路为发热垫供电时，MCU先进行PD协议检测，判断外部电源是否支持PD协议。然后，通过如图5所示的电压检测电路来检测IO口的实际输出电压值，电压检测电路中的ADC网络直接与MCU连接。MCU里设定一个电压阈值，将检测到的实际输出电压值与该电压阈值进行比较，根据比较结果，MCU选择PD快充PID控制还是选择普通充电宝PID控制。基于对市面上各类充电宝或电源适配器输出电压的检测结果，一般支持PD快充的充电宝或电源适配器其输出电压不小于7V，因此，本实施例中将电压阈值设定为7V。
若仅对发热垫采用PD快充芯片为其供电，但PID控制部分仍采用现有技术中的单段式PID控制的话，虽然能够提高升温速度，但无法避免出现温度过冲问题。如图6所示，选择市售其中一款发热垫采用PD快充芯片后，仍采用传统单段式PID控制，并将其温度最大值设定为45℃，从图6所示升温曲线可以得知，10分钟即可令发热垫快速升温至45℃，但却出现了明显超过45℃的情况，该温度显然已经超过了允许的温度波动范围，属于温度过冲。
为了进一步解决快速升温带来的温度过冲问题，本发明对现有的PID控制进行改进，采用如图2所示的分段式控制方式，即：MCU内设定温度最大值及温差阈值，MCU实时计算出一个温差值，该温差值为热敏电阻反馈的实测温度与设定温度最大值之差。图2中的Δt表示温差值，Tset表示设定温度最大值，t表示实测温度值，图2中以5℃作为温差阈值。当MCU判断出实时温差值大于或等于温差阈值时，则采用比例控制器对发热垫进行控制；当MCU判断出实时温差值小于温差阈值时，则采用PI控制器对发热垫进行控制。为了兼顾升温速度快和避免出现温度过冲问题，本实施例中将温差阈值设定为5℃。
对于保健理疗用的发热垫，其最大温度通常设定为45℃，该温度人体感觉比较舒适且不会出现温度过高烫伤问题。医用产品均需要经过严格的产品测试，在实际生产过程中，发热垫需要使用热垫治疗仪温度测试装置（型号为YICE0165）来测试其在实际使用过程中的温度控制能力是否符合标准要求。在测试过程中，由于测试装置需以恒温35℃的温度直接与发热垫进行接触，要保证快充PID控制模式下既能快速升温至45℃，又不会导致温度过冲问题，因此对于比例控制器控制下，P值的设定非常重要，P值不能太小，否则严重影响其升温速度，P值也不能过大，否则无法避免温度过冲问题。因此，本实施例中将比例控制器下的P值设定为10～20为宜，其中，以P值设定为15效果最佳。而对于PI控制器进行控制时，通过试凑法对控制参数进行调整，不断优化温升曲线，最终将PI控制器中的P设定为3～7，I设定为1～5为宜，其中，P设定为5，I设定为3效果最佳。
为了验证本发明基于分段式PID控制对温度过冲的抑制效果，本实施例对图6所用同款产品采用PD快充芯片并改为本发明的分段式控制，其温升曲线如图7所示，通过图7与图6的比较可见，同样在10分钟内快速升温至设定的温度最大值45℃，但图7中并未出现温度过冲现象，由此可见，采用本发明给出的分段式PID控制方式，可有效解决快速升温带来的温度过冲问题。
本发明以实际使用需求为导向，提供了快充和慢充两种供电方式，并且还基于医用产品的特殊领域需要考虑的问题，在快充PID控制算法上给出了可以满足需求且符合医用领域要求的控制方式，既能够实现快速升温，也不会发生温度过冲，并能够通过热垫治疗仪温度测试装置的温度检测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：所述保健理疗发热垫包括PD握手芯片、MCU、热敏电阻及电阻丝，热敏电阻安装于电阻丝上，供电电路包括PD快充供电电路和普通充电供电电路；
MCU先进行PD协议检测，然后基于MCU的实际输出电压值来确定调用的控制模式：若检测到不支持PD协议，则调用普通充电PID控制模式；若检测到支持PD协议，且实际输出电压值大于设定电压阈值则调用PD快充PID控制模式；若检测到支持PD协议，且实际输出电压值小于设定电压阈值则调用普通充电PID控制模式；
PD快充PID控制模式采用分段式控制，MCU内设定温度最大值及温差阈值，MCU实时计算热敏电阻反馈的实测温度与温度最大值之差后得到温差，将该温差与温差阈值进行比较，若温差大于或等于温差阈值，则采用比例控制器进行控制，若温差小于温差阈值，则采用PI控制器进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：所述设定电压阈值为7V。
3.根据权利要求1所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：所述温差阈值为5℃。
4.根据权利要求1所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：采用比例控制器控制时，P设定为10～20。
5.根据权利要求4所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：P设定为15。
6.根据权利要求1所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：采用PI控制器控制时，P设定为3～7，I设定为1～5。
7.根据权利要求6所述的一种保健理疗发热垫的快速升温控制方法，其特征在于：P设定为5，I设定为3。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117348643A (zh) * | 2023-11-13 | 2024-01-05 | 深圳市帝腾科技有限公司 | 焊膏搅拌机的温度控制方法、装置、终端以及存储介质 |
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2023
- 2023-08-21 CN CN202311047996.7A patent/CN117032353A/zh active Pending
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