一种电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及到电加热不燃烧卷烟烟具领域，尤其涉及电加热不燃烧卷烟烟具的温度控制装置及控制方法。
背景技术
随着全球控烟力度的加大，消费者对吸烟的安全环保意识的提高，越来越多的烟草公司加入到对新型卷烟制品产品的研发中，加热不燃烧卷烟产品应运而生，其只对烟支加热而非燃烧的特点，使其在释放烟气供消费者抽吸的过程中，极大地减少了烟气中有害成分的产生。
目前市场上加热不燃烧卷烟产品多以电加热不燃烧卷烟产品为主，电加热不燃烧卷烟烟具对特制烟支加热使烟草释放出烟雾，而又不会燃烧烟草也不会产生大量焦油和有害物质。在加热过程中必须要保证加热温度保持在一定的范围，如果加热温度过低会使得烟支加热不充分，无法烘烤出适量的烟雾供消费者抽吸；温度过高又会烤糊烟支，使得烟草快速碳化大大地缩短了抽吸时间，不能给消费者带来愉悦的抽吸体验。
当前对于烟具加热温度控制的策略多是对发热体电阻阻值变化进行检测，根据发热体的温度电阻关系表计算出发热体的温度，再与设定目标温度进行比较，通过控制器对加热单元的输出功率进行相应调节以期达到调控温度的目的。然而发热体材料的TCR曲线(temperature coefficient of resistance简称TCR，表示电阻当温度改变1摄氏度时，电阻值的相对变化，单位为ppm/℃)多是非线性的，有些发热体材料温度阻值变化曲线斜率较小，导致在整个加热过程中其阻值变化量很小，很难被检测到，对发热体材料的局限性较大。同时这种温度控制过程中存在延迟，不能及时地对温度进行调控，在加热过程中控温精度不高，影响消费者的抽吸体验。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置及控制方法，该烟具温度控制装置包括：电源单元、MCU控制单元(Microcontroller Unit简称MCU)、功率驱动单元、加热单元，温度检测单元、气压检测单元、按键及显示单元等。该烟具温度控制装置通过采集所述加热单元实时温度和进气口处气压变化量来对烟具的输出功率调整，可使烟具在一定的温度范围内工作，并且可以根据不同抽吸力度带来的气压变化来调整烟具的输出功率，提供消费者更好的抽吸体验。该烟具控温精度高并且可以通过对目标温度的设定实现对不同特制烟支加热，大大扩展了该烟具的适用范围。
本发明的技术方案方案如下：
本发明第一方面公开了一种电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置，所述温度控制装置包括以下单元：电源单元、MCU控制单元、功率驱动单元、加热单元、温度检测单元、气压检测单元、按键及显示单元；
优选地，所述MCU控制单元上游分别与所述电源单元、气压检测单元、温度检测单元电连接，所述MCU控制单元下游与所述功率驱动单元电连接；所述MCU控制单元与所述按键及显示单元电连接且相互反馈；所述功率驱动单元下游与所述加热单元电连接，所述加热单元下游与所述温度检测单元电连接，所述温度检测单元下游与所述MCU控制单元电连接；所述电源单元下游分别MCU控制单元和所述按键及显示单元电连接。
本发明第二方面公开了所述电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：判断是否有烟支插入，若有，则执行步骤S2；否则将所述温度控制装置的工作模式切换至休眠模式；
步骤S2：通过所述按键及显示单元完成预设参数的输入并存储在MCU控制单元中，预设参数包括目标温度Tω、目标气压压强值Pω，目标温度阈值ε1和目标气压压强阈值ε2；
步骤S3：在所述MCU控制单元的调控下，在预热时间内，所述功率驱动单元以初始恒定功率进行加热，使所述加热单元达到预热温度，此时，所述温度检测单元以相对较低的采样频率对所述加热单元的实时温度采集并反馈至所述MCU控制单元，避免对硬件的过度消耗；所述加热单元通电后对烟支加热释放出烟雾，在进气口处设置一气压传感器检测烟支腔内的气压变化，并将气压变化反馈至所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据反馈的所述加热单元实时温度和进气口处气压变化量来对烟具的输出功率调整，从而实现对温度的控制；所述电源单元由充电模块和锂电池组成，该电源单元能够在充放电时对电压电流进行管理，满足各单元对电源的要求；
步骤S4：预热时间结束后，所述温度检测单元与所述气压检测单元以相对较高的采样频率对所述加热单元的实时温度值及进气口处气压压强值进行采集并反馈至MCU控制单元，来保证采样精度，并与目标温度Tω及目标气压压强值Pω相减得到偏差量，通过PID算法反馈控制输送加热单元的输出功率；
步骤S5：若所述加热单元的实时温度小于Tω－ε1，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元增大输出脉冲宽度，占空比变大，从而增大所述加热单元的输出功率；若所述加热单元的实时温度在(Tω－ε1，Tω+ε1)范围内，所述功率驱动单元保持当前输出脉宽，使所述加热单元的温度稳定保持在区间(Tω－ε1，Tω+ε1)内；若所述加热单元的实时温度大于Tω+ε1，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元减小输出脉宽，从而减小所述加热单元的输出功率；同步地，所述气压检测单元实时采集进气口处的实时气压压强值，若进气口处的实时气压压强小于Pω－ε2，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元减小输出脉宽，从而减小所述加热单元的输出功率，以降低烟雾浓度；若进气口处的实时气压压强在(Pω－ε2,Pω+ε2)范围内，所述功率驱动单元保持当前输出脉宽，烘烤出浓度适宜的烟雾；若进气口处的实时气压压强大于Pω+ε2，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元增大输出脉宽，从而增大所述加热单元的输出功率，可烘烤出更高浓度的烟雾；
步骤S6：所述MCU控制单元是否接收到停止加热信号，若是，则结束所述温度控制装置加热；否则，执行步骤S4，使所述加热单元的温度保持在恒定的范围内。
本发明的温度控制装置各单元具体还有的部件和功能。所述按键及显示单元上有LED显示屏；所述MCU微控制单元用于控制整个系统功能，如按键的输入检测、充电控制、输出控制、LED显示等；所述MCU微控制单元根据所述温度检测单元反馈的实时温度和所述气压检测单元反馈的气压变化对输出功率的大小进行调节，来控制所述加热单元的温度。
所述功率驱动单元分别与所述MCU控制单元和加热单元电性连接，所述功率驱动单元接收所述MCU控制单元的输出信号，通过输出不同占空比的脉冲宽度调制来调节输出功率的大小，以实现对加热单元温度的控制。
所述温度检测单元分别与所述加热单元和所述MCU控制单元连接，采用热电偶传感器对所述加热单元的实时温度进行检测，并将所述加热单元的实时温度反馈至所MCU控制单元，MCU控制单元根据预设的目标温度与实时温度之间的偏差对加热单元的温度进行调节。
所述气压检测单元与所述MCU控制单元电性连接，在烟具的进气口处设置一气压传感器来检测烟支腔内的气压变化，并将气压变化值反馈至所述MCU控制单元，根据预设的目标气压压强值与实时气压压强值之间的偏差对所述气压检测单元的气压压强值进行调节。
所述按键及显示单元与所述MCU控制单元电性连接，通过按键的输入完成对目标温度及目标气压压强值的设定，并将目标温度及目标气压压强值存储在所述MCU控制单元中。所述按键及显示单元包括LED屏幕，用于对电源单元电量、目标温度设置值、目标气压压强设置值、实时温度值、实时气压压强值等参数的显示。
本发明的有益效果：
本发明提供一种电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置及控制方法，采用PID算法对烟具加热单元温度和进气口处的实时气压压强进行控制，通过改变脉宽长度实现了调节输出功率的大小的功能。相比于其他的电子烟具温控系统设计，本发明的有益效果是：不需要在控制器的存储单元中事先输入温度和电阻相对应的数据表，这种方法通过电阻值的变化间接的反映温度变化，存在一定的误差，同时使得整个工作过程更加冗杂。本发明采用高精度的温度传感器对加热单元的实时温度采集，整个过程中的误差更小，能满足精准控温的要求。同时本发明使用气压传感器对进气口处的气压压强进行采集，可以根据不同抽吸力度带来的气压变化来调整烟具的输出功率，提供消费者更好的抽吸体验。
附图说明
图1是本发明的电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置功能模块示意图；
图2是本发明中温度控制方法的流程图；
图3是本发明的实施例温控系统电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。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，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置，包括以下单元：电源单元、MCU控制单元、功率驱动单元、加热单元、温度检测单元、气压检测单元、按键及显示单元；
优选地，所述MCU控制单元上游分别与所述电源单元、气压检测单元、温度检测单元电连接，所述MCU控制单元下游与所述功率驱动单元电连接；所述MCU控制单元与所述按键及显示单元电连接且相互反馈；所述功率驱动单元下游与所述加热单元电连接，所述加热单元下游与所述温度检测单元电连接，所述温度检测单元下游与所述MCU控制单元电连接；所述电源单元下游分别MCU控制单元和所述按键及显示单元电连接。其中按键及显示单元有LED显示屏，且按键通过I/O接口连接MCU控制单元，从而实现信息的输入和显示；所述加热单元的实时温度发送至所述MCU控制单元，所述加热单元通电后对烟支加热释放出烟雾，在进气口处设置一气压传感器检测烟支腔内气压变化，并将气压变化值反馈至所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据反馈的所述加热单元实时温度和进气口处气压的变化量来对烟具的输出功率调整，从而实现对温度的控制。并且可以根据不同抽吸力度带来的气压变化来调整烟具的输出功率，提供消费者更好的抽吸体验。所述电源单元由充电模块和锂电池组成，该电源单元能够在充放电时对电压电流进行管理，满足各单元对电源的要求。所述MCU微控制器用于控制整个系统功能，按键的输入检测、充电控制、输出控制、LED显示等。本发明所述MCU微控制器选用的控制器芯片型号为STM32F103RBT6。所述功率驱动单元分别与所述MCU控制单元和加热单元电性连接，所述功率驱动单元接收所述MCU控制单元的输出信号，通过输出不同占空比的脉冲宽度调制来调节输出功率的大小。以实现对所述加热单元温度的控制。
所述温度检测单元分别与所述加热单元和所述MCU控制单元连接，采用热电偶传感器对所述加热单元的实时温度进行检测，并将所述加热单元的实时温度反馈至所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据预设的目标温度与实时温度之间的偏差对加热单元的温度进行调节。
所述气压检测单元与所述MCU控制单元电性连接，在进气口处设置一气压传感器来检测烟支腔内的气压变化，并将气压变化值反馈至所述MCU控制单元，根据预设的目标气压压强值与实时气压压强值之间的偏差对对所述气压检测单元的气压压强值进行调节。
所述按键及显示单元与所述MCU控制单元电性连接，通过按键的输入完成对目标温度及目标气压压强值的设定，并将目标温度及目标气压压强值存储在所述MCU控制单元中。所述按键及显示单元包括LED屏幕，用于对所述电源单元电量、目标温度设置值、目标气压压强设置值、实时温度值、实时气压压强值等参数的显示。
使用本发明的电加热不燃烧卷烟烟具温度控制装置的控制方法的具体步骤如图2所示：
步骤S1：判断是否有烟支插入，若有，则执行步骤S2；否则将所述温度控制装置的工作模式切换至休眠模式；
步骤S2：通过所述按键及显示单元完成预设参数的输入并存储在MCU控制单元中，预设参数包括目标温度Tω、目标气压压强值Pω，目标温度阈值ε1和目标气压压强阈值ε2；
步骤S3：在所述MCU控制单元的调控下，在预热时间内，所述功率驱动单元以初始恒定功率进行加热，使所述加热单元达到预热温度，此时，所述温度检测单元以相对较低的采样频率对所述加热单元的实时温度采集并反馈至所述MCU控制单元；所述加热单元通电后对烟支加热释放出烟雾，在进气口处设置一气压传感器检测烟支腔内的气压变化，并将气压变化反馈至所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据反馈的所述加热单元实时温度和进气口处气压变化量来对烟具的输出功率调整，从而实现对温度的控制；所述电源单元由充电模块和锂电池组成，该电源单元能够在充放电时对电压电流进行管理，满足各单元对电源的要求；
步骤S4：预热时间结束后，所述温度检测单元与所述气压检测单元以相对较高的采样频率对所述加热单元的实时温度值及进气口处气压压强值进行采集并反馈至MCU控制单元，并与目标温度Tω及目标气压压强值Pω相减得到偏差量，通过PID算法反馈控制输送加热单元的输出功率；
【注】PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。顾名思义，PID控制算法是和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，该控制算法出现于20世纪30至40年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。
步骤S5：若所述加热单元的实时温度小于Tω－ε1，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元增大输出脉冲宽度，占空比变大，从而增大所述加热单元的输出功率；若所述加热单元的实时温度在(Tω－ε1，Tω+ε1)范围内，所述功率驱动单元保持当前输出脉宽，使所述加热单元的温度稳定保持在区间(Tω－ε1，Tω+ε1)内；若所述加热单元的实时温度大于Tω+ε1，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元减小输出脉宽，从而减小所述加热单元的输出功率；同步地，所述气压检测单元实时采集进气口处的实时气压压强值，若进气口处的实时气压压强小于Pω－ε2，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元减小输出脉宽，从而减小所述加热单元的输出功率，以降低烟雾浓度；若进气口处的实时气压压强在(Pω－ε2,Pω+ε2)范围内，所述功率驱动单元保持当前输出脉宽，烘烤出浓度适宜的烟雾；若进气口处的实时气压压强大于Pω+ε2，在所述MCU控制单元调控下，所述功率驱动单元增大输出脉宽，从而增大所述加热单元的输出功率，可烘烤出更高浓度的烟雾；
步骤S6：所述MCU控制单元是否接收到停止加热信号，若是，则结束所述温度控制装置加热；否则，执行步骤S4，使所述加热单元的温度保持在恒定的范围内。
实施例1
如图3所示，本实施例中温度控制装置包括电源单元、MCU控制单元、功率驱动单元、加热单元、温度检测单元、气压检测单元。温度检测单元包括热电偶传感器、A/D转换器、信号放大电路。该烟具可实现多工作模式，根据用户喜好自主选择。单温度变量控制模式时，所述MCU控制单元中的传感器产生一个低电平信号使气压检测单元处于悬浮状态，此时该烟具控制的变量仅为温度。所述MCU控制单元对反馈的实时温度与目标温度的偏差进行计算，产生一个PW M信号(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制，可根据相应载荷的变化来调制MOS管的栅极的偏置，来实现MOS管导通时间的变化)传送至功率驱动单元中MOS管(金属氧化物半导体场效应管，一种电力电子中常用的功率半导体器件)的栅极，通过对MOS管的导通/关断时间调整来控制加热单元输出功率的占空比。使用两路控制MOS管Q1和MOS管Q2，通过对MOS管的导通时间调整占空比来控制加热单元的输出功率。
实施例2
如图3所示，本实施例中温度控制装置包括电源单元、MCU控制单元、功率驱动单元、加热单元、温度检测单元、气压检测单元。气压检测单元包括气压传感器、A/D转换器、信号放大电路。该烟具可实现多工作模式，根据用户喜好自主选择。单气压变量控制模式时，所述MCU传感器产生一个低电平信号使温度检测单元处于悬浮状态，此时该烟具控制的变量仅为气压。所述MCU控制单元对反馈的实时气压压强与目标气压压强的偏差进行计算，产生一个PWM信号传送至功率驱动单元中MOS管的栅极，通过对MOS管的导通/关断时间调整来控制加热单元输出功率的占空比。使用两路控制MOS管Q1和MOS管Q2，通过对MOS管的导通时间调整占空比来控制加热单元的输出功率。
实施例3
如图3所示，本实施例中温度控制装置包括电源单元、MCU控制单元、功率驱动单元、加热单元、温度检测单元、气压检测单元。气压检测单元包括气压传感器、A/D转换器、信号放大电路。温度检测单元包括热电偶传感器、A/D转换器、信号放大电路。该烟具可实现多工作模式，根据用户喜好自主选择。混合双变量控制模式时，所述MCU传感器产生一个高电平信号分别传送至温度检测单元和气压检测单元，使温度检测单元和气压检测单元均处于工作状态，此时该烟具根据温度和气压双变量做出决策。所述MCU控制单元分别对反馈的温度与气压的偏差进行计算，产生一个PWM信号传送至功率驱动单元中MOS管的栅极，通过对MOS管的导通/关断时间调整来控制加热单元输出功率的占空比。使用两路控制MOS管Q1和MOS管Q2，通过对MOS管的导通时间调整占空比来控制加热单元的输出功率。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
