基于过零检测的功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法

摘要

本发明涉及一种基于过零检测的功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法，其中功率控制电路包括MCU及加热器，还包括：温控开关，分别连接火线及加热器，温控开关在温度高于第一预设温度时关断，在温度低于第二预设温度时导通；功率开关，分别连接MCU、加热器及零线；过零检测电路，分别连接加热器与温控开关的连接节点及MCU，用于在温控开关导通时，在输入电压过零点时生成电平翻转信号，还用于在温控开关断开时，输出低电平信号；MCU，用于根据电平翻转信号的电平翻转次数控制功率开关导通或关断。上述功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法，能精确控制加热器的平均加热功率，降低接通干扰，以及提高功率控制电路的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于过零检测的功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法。

背景技术

随着电子技术的发展，人们生活中运用到的电器种类越来越多，各种电器的控制也日益智能化。例如电饭锅、电磁炉、电热水壶、暖风机等加热电器，为了控制加热温度，需要对加热器的工作状态进行控制。

现有技术中，通常采用温控开关来控制加热温度，即当温度超过一定值时，温控开关断开，加热器停止工作，当温度降低到一定值时，温控开关导通，加热器开始加热。这种温度控制方式只能简单根据温度控制加热器的工作状态，无法精确控制加热器的加热功率，而且在开关接通瞬间，电路受到的干扰较大。另外，温控开关的接通与断开状态也没有得到实时检测监控，在温控开关断开时无法发出警报。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术，提供一种基于过零检测的功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法，能精确控制加热器的加热功率，降低电路接通时的干扰，同时能够准确检测出温控开关的断开时间。

本发明公开了一种基于过零检测的功率控制电路，其包括微控制单元((Microcontroller Unit，MCU)及加热器，还包括：

温控开关，分别连接火线及加热器，所述温控开关用于在温度高于第一预设温度时关断，在温度低于第二预设温度时导通，其中所述第一预设温度高于或等于第二预设温度；

功率开关，分别连接所述MCU、所述加热器及零线；

过零检测电路，其输入端分别连接所述加热器与温控开关，其输出端连接所述MCU，所述过零检测电路用于在所述温控开关导通时，在输入电压过零点时生成电平翻转信号，还用于在所述温控开关断开时，输出低电平信号；

所述MCU，用于根据所述电平翻转信号的电平翻转次数控制所述功率开关导通或关断。

其中，所述MCU包括记录模块及控制模块，

所述记录模块，在所述功率开关导通时，记录第一电平翻转次数；

所述控制模块，用于当电平翻转次数达到第一次数阈值时，控制所述功率开关关断；

所述记录模块，还用于在所述功率开关关断时，记录第二电平翻转次数；

所述控制模块，还用于当第二电平翻转次数达到第二次数阈值时，控制所述功率开关导通。

其中，所述MCU还用于：

在连续未检测到电平翻转信号的时长大于预设时长阈值时，控制所述功率开关关断。

其中，所述过零检测电路，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、三极管Q1、电容C1及电容C2，其中：

所述三极管Q1的基极通过所述电阻R1连接所述加热器与所述温控开关的连接节点，所述三极管Q1的集电极分别连接电阻R3的第一端和电阻R4的第一端，所述三极管Q1的发射极用于接地；

所述电阻R3的第二端用于接入VCC电压，所述电阻R4的第二端作为所述过零检测电路的输出端连接所述MCU；

所述电容C2分别连接所述电阻R3的第二端和所述电阻R4的第二端；

所述二极管D1的正极连接所述三极管Q1的基极，所述二极管D1的负极接地；

所述电阻R2和所述电容C1分别与所述二极管D1并联。

其中，所述功率控制电路还包括热熔断器，所述热熔断器连接在所述功率开关及所述零线之间。

其中，所述功率控制电路还包括报警器，所述报警器连接所述MCU；

所述MCU，还用于在连续未检测到电平翻转信号的时长大于预设时长阈值时，驱动所述报警器生成报警信号。

其中，所述功率开关为晶闸管，所述晶闸管的控制极连接所述MCU。

本发明还公开了一种功率控制方法，所述功率控制方法应用于基于过零检测的功率控制电路，所述功率控制电路包括过零检测电路、加热器及与所述加热器连接的功率开关，所述功率控制方法包括：

判断温度是否低于第二预设温度；

若判断为是，则在输入电压过零点时生成电平翻转信号；

根据所述电平翻转信号的电平翻转次数控制所述功率开关导通或关断。

其中，所述根据所述电平翻转信号的电平翻转次数控制功率开关导通或关断，包括：

在所述功率开关导通时，记录第一电平翻转次数；

当电平翻转次数达到第一次数阈值时，控制所述功率开关关断；

在所述功率开关关断时，记录第二电平翻转次数；

当第二电平翻转次数达到第二次数阈值时，控制所述功率开关导通。

其中，所述功率控制方法还包括：

若在预设时间内未检测到电平翻转信号，则生成报警信号。

本发明还公开了一种温控开关状态检测方法，应用于基于过零检测的功率控制电路，其特征在于，所述功率控制电路包括温控开关、功率开关及过零检测电路，所述温控开关状态检测方法包括：

若所述温控开关处于接通状态，则在输入电压过零点时通过所述过零检测电路生成电平翻转信号；

若所述温控开关处于断开状态，则通过所述过零检测电路输出低电平信号，并在所述过零检测电路连续输出低电平信号的时长大于预设时长阈值时，控制所述功率开关关断。

上述基于过零检测的功率控制电路、功率控制方法及温控开关状态检测方法，采用过零检测电路生成电平翻转信号，根据电平翻转次数控制功率开关导通或关断，可以精确控制加热器的工作时间，因此能精确控制加热器的平均加热功率，由于功率开关在电压过零点接通，能降低接通干扰，由于采用温控开关，能在出现异常加热时自动断电，同时所述过零检测电路能够在检测出温控开关的断开时，控制所述功率开关关断，提高功率控制电路的安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于过零检测的功率控制电路的结构示意图；

图2为本发明一实施例的微控制单元的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的基于过零检测的功率控制电路的结构示意图；

图4为本发明一实施例的过零检测电路的电路图；

图5为本发明一实施例的功率控制方法的流程示意图；

图6为本发明一实施例的温控开关状态检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，其为本发明一实施例提供的基于过零检测的功率控制电路的结构示意图。所述功率控制电路应用于具有加热功能的电器，包括但不限于电热水壶、电磁炉、电饭锅、电炖盅、热水器、暖风机等。如图1所示，所述功率控制电路100包括温控开关K1、功率开关K2、微控制单元10、加热器20及过零检测电路30，其中，温控开关K1分别连接火线ACL及加热器20；功率开关K2分别连接零线ACN、加热器20和MCU10；过零检测电路30分别连接加热器20与温控开关K1的连接节点及MCU10，具体地，过零检测电路30的输入端连接加热器20与温控开关K1的连接节点，过零检测电路30的输出端连接MCU10。

在本实施例中，温控开关K1用于在温度高于第一预设温度时关断，在温度低于第二预设温度时导通，其中所述第一预设温度高于或等于第二预设温度。

例如，温控开关K1为突跳式温控开关，如双金属片突跳式温控开关，此时第一预设温度和第二预设温度与温控开关K1的材料有关。例如，温控开关K1为热敏电阻式温控开关，此时第一预设温度和第二预设温度与热敏电阻的阻抗有关。例如，温控开关K1为液体膨胀式温控开关或压力式温控开关等。在实际应用中，可根据温度控制需要选择合适的温控开关K1。

在本实施例中，功率开关K2为可控开关，例如晶闸管，例如继电器。具体地，功率开关K2的控制极连接MCU10，用于接收MCU10输出的控制信号，功率开关K2根据控制极接收的控制信号导通或关断。

在本实施例中，功率控制电路由市电供电，其中温控开关K1连接市电输入线中的火线ACL，功率开关连接市电输入线中的零线ACN。当温控开关K1和功率开关K2均导通时，温控开关K1、功率开关K2和加热器20在火线和零线之间形成加热回路，加热器工作产生热量。当温控开关K1或功率开关K2中任一个关断时，无法形成加热回路，加热器停止工作。其中，市电为正弦波形的交流电，存在过零点，例如在电压极性由正变为负时或者由负变为正的过程中，电压值接近零或等于零的时候，即为过零点。当温控开关K1导通时，过零检测电路30的输入端通过温控开关K1连接火线，当市电过零时，过零检测电路30检测到过零信号，并输出电平翻转信号。例如过零检测电路30原本输出高电平，当检测到过零信号时，转变为输出低电平；例如过零检测电路30原本输出低电平，当检测到过零信号时，转变为输出高电平，由此产生电平翻转信号。例如，在市电电压由正变为负时，过零检测电路30由输出低电平转变为输出高电平，在市电电压由负变为正时，过零检测电路30由输出高电平转变为输出低电平。

在本实施例中，MCU10用于根据电平翻转信号的电平翻转次数控制所述功率开关导通或关断。例如图2所示，MCU10包括记录模块11及控制模块12，其中记录模块11用于在功率开关K2导通时，记录第一电平翻转次数；控制模块12用于当电平翻转次数达到第一次数阈值N1时，控制功率开关K2关断；记录模块11还用于在功率开关K2关断时，记录第二电平翻转次数；控制模块12还用于当第二电平翻转次数达到第二次数阈值N2时，控制功率开关K2导通。在功率开关K2导通时，记录模块11又重新开始记录第一电平翻转次数。其中，由于功率开关K2在市电电压过零点导通，即功率开关K2导通时市电电压接近为零，因此功率开关K2接通瞬间产生的干扰较小，可降低对功率控制电路的干扰。

其中，第一电平翻转次数和第二电平翻转次数为预设反向的电平翻转次数，或不限方向的电平翻转次数。例如，第一电平翻转次数和第二电平翻转次数为从低电平翻转到高电平的次数，或者，为从高电平翻转到低电平的次数，或者，为从低电平翻转到高电平的次数与从高电平翻转到低电平的次数之和。具体地，MCU10通过内部的计数器记录电平翻转次数，例如，在检测到过零检测电路30的输出信号的上升沿时，计数加一，以统计由低电平翻转到高电平的次数；例如，在检测到过零检测电路30的输出信号的下降沿时，计数加一，以统计由高电平翻转到低电平的次数；例如，在检测到过零检测电路30的输出信号的上升沿或下降沿时，计数加一，以统计从低电平翻转到高电平的次数与从高电平翻转到低电平的次数之和。

在加热器正常加热、温控开关K1检测到的温度不超过第一预设温度时，温控开关K1维持导通。MCU10根据第一电平翻转次数、第二电平翻转次数、第一次数阈值N1和第二次数阈值N2控制功率开关K2导通或关断。具体地，当功率开关K2导通时，加热器工作，当功率开关K2关断时，加热器停止工作，通过控制功率开关K2的导通时间来控制加热器的工作时间，进而控制加热器的平均加热功率。例如，若加热器进行加热时的功率为P_N，则平均加热功率为P₀＝N1/(N1+N2)*P_N。为了实现多功率调节与功率控制精确化，可通过调整第一次数阈值N1与第二次数阈值N2的设定数值大小，来控制实际的平均加热功率。

在加热器出现异常加热，温控开关K1检测到的温度高于第一预设温度时，温控开关K1断开，切断电源，加热器由于无法形成回路而停止工作，直到温度下降，温控开关K1在检测到的温度低于第二预设温度时重新导通，加热器恢复工作。

其中，在温控开关K1断开时，过零检测电路30由于与火线ACL断开连接，不再检测过零信号及生成电平翻转信号，而是输出低电平信号，即MCU10检测不到电平翻转信号。为了提高安全性，在一个实施例中，MCU10还用于在连续未检测到电平翻转信号的时长大于预设时长阈值时，即，过零检测电路30连续输出低电平信号的时长大于预设时长阈值时，控制功率开关K2关断，这样，当出现异常加热，并且在预设时长内温度未降到第二预设温度时，即使之后温度下降，温控开关K1重新导通，由于功率开关K2关断，加热器不会自动重新加热，以保障系统的安全。

在一个实施例中，如图3所示，除了MCU10、加热器20、过零检测电路30、温控开关K1及功率开关K2之外，上述功率控制电路100还包括热熔断器40及报警器50中至少一种。

其中，报警器50与MCU10连接，当连续未检测到电平翻转信号的时长大于预设时长阈值时，MCU10驱动报警器50生成报警信号，以提示使用者排除故障。例如，报警器50包括语音报警单元，用于发出提示音或播放预存的语音内容进行报警；例如，报警器50包括LED单元，用于发光报警，如发出预设颜色的光线进行报警；例如，报警器50包括无线通信单元，用于与用户设备建立无线连接，通过无线连接向用户设备发送报警信息。例如，无线通信单元包括WiFi单元、蓝牙单元、NFC单元或ZigBee单元中至少一种。

热熔断器40连接在功率开关K2与零线之间。若加热器20出现异常加热，而温控开关K1失效无法断开，当温度达到热熔断器40的熔断温度时，热熔断器40断开以切断电源，使加热器停止加热，由温控开关K1和热熔断器40实现对控制电路的双重保护。其中，热熔断器40的熔断温度高于或等于上述第一预设温度。

在一个实施例中，除了连接在功率开关K2与零线之间的热熔断器40之外，在温控开关K1和火线ACL之间还连接有另一热熔断器，用于在加热器20异常加热、温控开关K1失效无法控制温度的情况下，在温度达到该热熔断器的熔断温度时断开，使整个电路与火线断开连接，避免火线电压通过人体与地形成回路而造成触电，进一步提升电路安全性。

在一个实施例中，上述功率控制电路还包括LED阵列，例如8*8LED阵列，例如16*16LED阵列，例如5*10LED阵列，例如4*16LED阵列。所述LED阵列与MCU10连接。所述MCU10还用于根据过零检测电路30的输出信号驱动所述LED阵列，例如，驱动所述LED阵列中的至少一个LED发光，使发光的LED组成预设图案或文字。例如，当过零检测电路30连续未输出电平翻转信号的时长大于预设时长阈值时，驱动所述LED阵列中的至少一个LED发光，组成预设报警文字或预设报警图案；例如，MCU10检测过零检测电路30输出的电平翻转信号，当第一电平翻转次数达到第一次数阈值时，驱动所述LED阵列中的至少一个LED发光，组成“保温”字样或组成代表保温的图样；又如，当第二电平翻转次数达到第二次数阈值时，驱动所述LED阵列中的至少一个LED发光，组成“加热”字样或组成代表加热的图样。

在一个实施例中，如图4所示，过零检测电路30包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、三极管Q1、电容C1及电容C2，其中三极管Q1为PNP型三极管或NPN型三极管，图4以三极管Q1为PNP型三极管为例进行说明。

三极管Q1的基极通过电阻R1连接加热器与温控开关的连接节点，三极管Q1的集电极分别连接电阻R3的第一端和电阻R4的第一端，三极管Q1的发射极用于接地；电阻R3的第二端用于接入VCC电压，电阻R4的第二端作为过零检测电路的输出端连接MCU；电容C2分别连接电阻R3的第二端和电阻R4的第二端；二极管D1的正极连接三极管Q1的基极，二极管D1的负极接地；电阻R2和电容C1分别与二极管D1并联。

其中，VCC电压的电压值与三极管Q1的类型有关，例如，若三极管Q1为PNP三极管，则VCC电压为-5V。

市电为正弦波交流电，当温控开关K1接通时，过零检测电路30的输入端与火线ACL相连，电阻R1和电阻R2串联后接于火线ACL和零线ACN之间。电阻R1和电阻R2用于分压，通过调节电阻R1和电阻R2的阻值比值大小，可以调节电阻R1和电阻R2两端所分担的电压。例如，为了使三极管Q1在市电电压更接近于过零点处实现信号翻转，使电阻R1的阻值远大于电阻R2的阻值。

在市电电压的正半周，当市电电压小于二极管D1的导通压降，二极管D1不导通。当市电电压大于二极管D1的导通压降时，二极管D1导通，电阻R2两端的电压被嵌压为二极管D1的导通电压，例如0.7V。若三极管Q1为PNP三极管，由于基极电位高于发射极电位，不满足三极管Q1的导通条件，因此三极管Q1截止，VCC电压经过电阻R3和电阻R4分压后输出负电压，电阻R4的第二端电位为负，电阻R4的第二端作为过零检测电路的输出端，输出低电平。

在市电电压的负半周，因二极管D1的单向导通性，二极管D1截止。若三极管Q1为PNP三极管，当市电电压小于三极管Q1的导通压降时，三极管Q1不导通；当市电电压大于三极管Q1的导通压降时，例如市电电压大为0.7V时，三极管Q1导通，电阻R4的第二端作为过零检测电路的输出端，输出高电平。

根据以上分析可知，当温控开关K1接通时，在市电电压过零点，例如在市电电压为±0.7V附近处，过零检测电路30的输出信号实现高低电平翻转，向MCU10输出电平翻转信号，从而MCU10检测电平翻转信号的上升沿或下降沿并进行计数。当温控开关K1关断时，过零检测电路30无法形成通路，三极管Q1无法导通，过零检测电路30的输出端一直输出低电平，从而MCU10无法检测到电平翻转信号。

上述基于过零检测的功率控制电路，采用过零检测电路生成电平翻转信号，根据电平翻转次数控制功率开关导通或关断，可以精确控制加热器的工作时间，因此能精确控制加热器的平均加热功率，由于功率开关在电压过零点接通，能降低接通干扰，由于采用温控开关，能在出现异常加热时自动断电，提高功率控制电路的安全性。

本发明实施例还提供一种功率控制方法，例如加热功率控制方法。该功率控制方法可以通过上述基于过零检测的功率控制电路实现。如图5所示，上述功率控制方法包括：

S101，判断温度是否低于第二预设温度，是则执行步骤S102。

例如，根据温控开关的状态判断温度是否低于第二预设温度。若温控开关导通，则判定温度低于第二预设温度，否则判定温度不低于第二预设温度。

S102，在输入电压过零点时生成电平翻转信号。

S103，根据所述电平翻转信号的电平翻转次数控制所述功率开关导通或关断。

在一个实施例中，步骤S103包括：

在所述功率开关导通时，记录第一电平翻转次数；

当电平翻转次数达到第一次数阈值时，控制所述功率开关关断；

在所述功率开关关断时，记录第二电平翻转次数；

当第二电平翻转次数达到第二次数阈值时，控制所述功率开关导通。

在一个实施例中，上述功率控制方法还包括：

若在预设时间内未检测到电平翻转信号，则控制所述功率开关关断。

在一个实施例中，上述功率控制方法还包括：

若在预设时间内未检测到电平翻转信号，则生成报警信号。

上述功率控制方法，根据电平翻转次数控制功率开关导通或关断，可以精确控制加热器的工作时间，因此能精确控制加热器的平均加热功率。

本发明实施例还提供一种温控开关状态检测方法，该功率控制方法可以通过上述基于过零检测的功率控制电路实现。如图6所示，上述温控开关状态检测方法包括：

S201，判断温控开关是否处于接通状态，是则执行步骤S202，否则执行步骤S203。

S202，在输入电压过零点时通过过零检测电路生成电平翻转信号。

S203，通过所述过零检测电路输出低电平信号。

S204，在所述过零检测电路连续输出低电平信号的时长大于预设时长阈值时，控制所述功率开关关断。

上述温控开关状态检测方法，能够检测温控开关的状态，在温控开关断开时，控制功率开关关断，从而提高功率控制电路的安全性。

需要说明的是，以上所述实施例中，当一个元件被认为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”与另一个元件连接时，不存在中间元件。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。