一种能检测和消除感应电的足浴器的制作方法

本发明涉及足浴器技术领域，涉及足浴器感应电检测及消除的一种装置与方法。

背景技术：

市售足浴器属于家用电器安全标准中的二类电器，没有接地要求。但由于足浴器在使用过程中需要对水进行加热，而加热体本身又被直接浸泡在水中，所以加热体与水形成的分布电容产生的感应电无法通过加热体外壳接地方式有效消除，从而给接触水的足浴者带来不适。此外，当加热体长期在高温条件下使用后，其绝缘性能将会逐渐下降，壳体也可能会因氧化而生锈，严重时会产生破损，随之而来的漏电、进水等安全隐患也将越来越大，对此采取有效措施加以防范是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了有效降低或消除足浴器水中的感应电或漏电所引发的人体不适或人身安全问题。

为实现上述目的，并考虑到家用电器安全标准中的二类电器没有接地要求的情况，需要在发热体与外壳之间中加装金属屏蔽层：通过测量屏蔽层感应电压的大小，判断接入交流电源顺序是否符合要求，并根据情况进行内部调整；通过电子开关控制屏蔽层与供电线路零线的接入，可以在需要的时候把屏蔽层中的感应电或漏电通过零线释放掉。本发明就在于寻求一种简单、可靠、实用的独特解决方法，准确判断插头以任意方向插入电源时刻的零火线顺序，从而进行适应性调整，满足后续供电的需要，并最终使屏蔽层电荷得以释放。

一种能检测和消除感应电的足浴器，包括加热体、感应电检测电路、零/火线转换电路、足浴器控制电路和非隔离AC—DC电源，其特征是：所述加热体包括PTC加热模板和金属屏蔽层；所述感应电检测电路包括交流信号阻抗变换衰减滤波电路、运算放大电路、单片机交流信号采样电路；所述零/火线转换电路包括单片机控制电路、多路驱动电路、零/火线继电器转换开关和可控硅触发开关；所述感应电检测电路的输入端连接金属屏蔽层，所述零/火线转换电路的输入端连接单片机交流信号采样电路，所述零/火线转换电路的输出端连接零/火线继电器转换开关和可控硅触发开关。

足浴器控制及显示电路还包括加热体、按摩通断电控制、LED数码显示控制。在进行感应电检测及控制调整期间，加热体、按摩等控制功能需要全部关闭。在控制零/火线转换继电器切换期间，为了维持单片机软件运行的电能储备，LED数码显示等需要全部关闭。

所述非隔离AC-DC电源包括AC-220V电源输入端，二级滤波电路，具有DC-12V输出的非隔离DC-DC降压集成电路及其外围元件。DC-12V直流输出电源可供驱动零/火线切换继电器线圈、加热继电器线圈等，该DC-12V电源经再次降压至DC-5V后，可为后续单片机、显示、温度采集传感器、交流感应信号处理等电路提供工作电源。此外，AC-220V的交流输入端在通过零/火转换继电器后，还可为加热器、按摩器等提供功率电源。在以上过程中可以看到，无论输入端子如何改变零/火线的输入方向，其中一端总是与DC-12V、DC-5V、单片机等电路供电及模拟信号参考点相连接，换句话说单片机采集信号的参考点既可能是零线也可能是火线。

一种能检测和消除足浴器感应电的方法，将加热器屏蔽层连接交流信号耦合电容C26和可控硅触发开关S1；检测时，可控硅不导通，使屏蔽层处于悬浮状态，其感应电压幅值较高，便于感应电检测电路进行信号处理与数据采集；单片机在零/火线转换前后的感应信号采集及计算完成后，再根据当前零/火线状态进行继电器切换选择，并接通连接屏蔽层与零线的可控硅，使屏蔽层的感应电通过零线释放。

所述零/火线转换控制采用J1、J2两个继电器同时动作，完成零/火线转换功能。也可以用一个双刀双掷继电器完成，其中包括足浴盆的加热、电机、气泡所有用电单元，本机特色的是包括低压电路及单片机的供电切换，即全断电快速切换方法。

全断电快速切换法是由单片机软件控制下工作的，软件初始化时，零火线转换继电器的线圈处于未通电、未吸合状态。在该状态下，软件首先采集多个周期的交流信号，然后进行分析计算，获得继电器未吸合状态下的交流基波信号的幅值数据。接着，软件输出控制信号，令零/火线控制继电器执行吸合操作，经适当延时后，再次采集多个周期的交流信号，经分析计算，获得继电器吸合状态下的交流基波信号的幅值数据。通过对继电器吸合与未吸合两种状态下所采集的感应电数值进行比较，即可确定下一步适合于当前插头插入方向的正确调整状态，并控制继电器进入该状态，此时直流电压的参考点即与零线相连。最后，软件输出控制信号，令控制屏蔽层与参考点连接的可控硅导通，此后，屏蔽层的感应电将通过零线泄进行释放。

采用上述工作模式的非隔离AC-DC电源，随着软件控制零/火线的转换，采集感应信号的参考点也同时进行了转换即由零线转为火线，或者由火线转为零线。上电后、软件通过对零/火线转换前后两种状态下所采集的感应信号进行比较，进而判断出哪种状态符合零/火线的正常工作需要，通过控制零/火线控制继电器锁定该种工作状态，并通过软件控制接通感应信号与锁定零线之间的可控硅，使其把感应电随时通过零线释放掉。需要说明的是，在上述转换与测试过程中，包括AC-220V，DC-12V、DC-5V等足浴器的所有供电电路都经历了瞬间的断电与再上电过程，相当于把足浴器的电源插头拔下来快速调换方向后再重新插上电源，而在此期间，软件还要一直要保持正常运行，这就需要增加直流电路的储能及抗干扰措施。以上控制方法构成了区别于其它消除感应电方法的明显特征。

附图说明

图1为足浴器感应电检测、零/火线转换电路图。

图1的上部为加热体剖面图，涉及多种不同功能的分层结构，不同的层有不同的填充图案，对应每种图案均有文字标注。

图1的下部为本发明所涉及的相关电路部分的电原理图。

图2为非隔离AC-DC电源电路图。

图3为足浴器多路驱动控制电路图。

图4 为单片机U1控制零/火线转换部分软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明结构作进一步说明。

本发明按照说明书图1所示，根据不同型号的产品需求，提交加热体的结构尺寸、电器参数等相关设计文件给定制厂家进行生产加工，到货后对加热体各层绝缘度、导热性能、发热体功率等进行全面测试，满足要求后安装到足浴器上，要确保密封性，并将引线连接到控制单元。由于插接电源时插头方向的随机性，所以连接加热体电源线时无零线、火线要求，要靠控制板自行判断，只要保持产品连接方式的一致性即可。

能检测和消除感应电的足浴器，包括加热体、感应电检测电路、零/火线转换电路、足浴器控制电路和非隔离AC-DC电源。

所述加热体如图1上部所示，从内到外分为加热元件及电极、隔离层、屏蔽层、隔离层、外壳等，内部还有起紧固作用的楔形体、防干烧温度传感器等，每层结构均有不同填充图案的标识。从上述加热体的屏蔽层端子引出导线直接连接至交流信号耦合电容C26及可控硅S1的接插端子上，前者完成对感应信号的测试，后者完成放电，二者不能同时工作。

所述感应电检测电路包括交流信号阻抗变换衰减滤波电路如图1所示，由连接屏蔽层端子的耦合滤波电容C26、C27，分压衰减电阻R29、R30、R31组成。运算放大电路由运放U4-1、U4-2、电源滤波、完成参考电平设置功能的电容C29、电阻R31、R32、R33组成。单片机交流信号采样电路包括单片机U1、接于单片机U1输入端的A1N0的运放U4-2和U4-1。最后输出的交流信号进入电路单片机U1的输入端A1N0进行AD转换。从PTC屏蔽层感应的交流信号经交流耦合后，并经电阻R29、R30、R31、R32、R33，电容C27、C29及集成电路U4组成衰减、滤波、阻抗变换后，输出交流信号至U1的AD采样单元，由U1的软件采集交流信号，通过频谱分析进行周期计算、剔除杂波后的基波，直接对采集交流信进行数据采集及后续软件处理，可以简化硬件电路，减少有用信号的损失，增加数据的可靠性。

如图1所示，所述零/火线继电器转换开关电路包括多路驱动U3的输出端DR0和DR6，继电器J1和J2。零/火线转换控制采用同时驱动J1、J2两个继电器线圈的方式，令二者同时动作，完成零/火线转换功能（也可以用一个双刀双掷继电器完成）。包括足浴盆的加热、电机、气泡所有用电单元的零火线，以及低压供电电路的参考地，信号采集电路的参考点全部跟随转换，在转换过程中整个系统出现瞬间断电的情况，但单片机程序利用储能仍保持运行，从而完成了全断电快速切换过程，并对断电前后两种状态的数据进行采集与比较。

在继电器控制零/火线转换过程中，由于弱电部分的供电电源也出现了瞬间断电的问题，为了保障程序能够继续正常运行，需要增加12V及5V直流电源滤波电容的容量，以便增加储能，同时还需要关闭耗能较多的LED数码显示、指示灯、蜂鸣器等。

可控硅触发开关电路如图1所示，包括多路触发器的输出端DR0和接于DR0输出端与屏蔽层之间的双向触发可控硅S1。

在接通电源并自动进行零/火线检测时，软件设置可控硅不导通，使屏蔽层处于悬浮状态，其感应电压幅值较高，便于感应电检测电路进行信号处理与数据采集。

如图2所示，所述非隔离AC-DC电源包括：由二极管D1、电容C1和C2、电感L1组成二级滤波电路，连接二级滤波电路输出端的降压芯片U5、电感L2、二极管D2和D3，电容C3、C4和C10的非隔DC12V电源，连接12电源输出端的降压芯片U6、电容C5组成的DC-5V电源，供单片机、温度采集器显示器、交流感应信号处理等电路的工作电源及感信号处理参考电位。

所述非隔离AC-DC电源经直流整流及二级滤波电路D1、C1、C2、L1，具有DC-12V输出的非隔离DC-DC降压，集成电路U5及其外围元件L2、D2、D3、C3、C4、C10，DC-12V直流输出电源可供驱动零/火线切换继电器线圈、加热继电器线圈等，该DC-12V电源经稳压集成电路U6及滤波电容C5再次降压至DC-5V后，可为后续单片机、显示、温度采集传感器、交流感应信号处理等电路提供工作电源。此外，AC-220V的交流输入端在通过零/火转换继电器后，还可为加热器、按摩器等提供功率电源。在以上过程中可以看到，无论输入端子如何改变零/火线的输入方向，其中一端总是与DC-12V、DC-5V、单片机等电路供电及模拟信号参考点相连接，换句话说单片机采集信号的参考点既可能是零线也可能是火线。AC-220V电源插头和DC-12V直流电源，零/火线切换技术并结合非隔离AC-DC电源的应用，通过比较测试结果确定零线、火线。通过对零/火线转换前后采集数据的比较，可以判断出当前零/火线的接入顺序与实际需要是否相符，并进一步调整到正确的对应状态。

足浴器控制电路及显示电路如图1、3所示，包括单片机U1、按摩、气泡等通断电控制。足浴器控制电路包括单片机U1和单片机U1输入端的温度检测电路，接于单片机U1输出端的多路驱动器U3，接于多路驱动器U3输出端的加热控制器J3、数码管指示灯和蜂鸣器。温度检测电路包括水温感温电阻Rt1，防干烧感温电阻Rt2，分压电阻R11、R12、滤波电容C21、C20，在进行感应电检测及控制调整期间，加热体、按摩等控制功能需要全部关闭。在控制零/火线转换继电器切换期间，为了维持单片机软件运行的电能储备，LED数码显示等需要全部关闭。

由图3可见，单片机U1输出端PD1通过驱动器U3后的输出端DR1控制加热继电器J3的线圈，当需要加热时，令PD1输出高电平，对应的DR1输出端将处于导通状态，J3继电器吸合，加热器通电工作；当需要停止加热时，令PD1输出低电平，对应的DR1输出端将处于截止状态，如图3所示，继电器断电。加热继电器在感应电检测期间禁止工作。

由图1和图3可见，单片机U1输出端PD5通过驱动器U3后的输出端DR5控制蜂鸣器发声，当需要发声时，令PD5输出高电平，对应的DR5输出端将处于导通状态，蜂鸣器鸣叫；当需要停止鸣叫时，令PD5输出低电平，对应的DR5输出端将处于截止状态，蜂鸣器停止鸣叫。

由图1和图3可见，单片机U1输出端PD2、PD3、PD4通过驱动器U3后的输出端DR2、DR3、DR5控制数码管及指示灯的显示，PD2,、PD3、PD4按顺序输出高电平，则对应的DR2、DR3、DR4输出端将分别处于导通状态，数码管和指示灯的共阴极将导通，PD2,、PD3、PD4输出低电平，则对应的DR2、DR3、DR4输出端将分别处于断开状态，数码管和指示灯的共阴极将断开。

多路驱动器U3采用ULN2003A为7路输入达林顿驱动芯片，可以提供较大的驱动电流，每路均有保护二极管，便于驱动感性负载。

所述单片机控制电路包括单片机外围元件及内嵌软件，以下结合图1、图2、图3和图4并结合硬件进一步说明通过单片机U1的软件完成零/火线检测和零/火线转换过程。

由图1可见，多路驱动器U3的输出端DR6直接控制两个并联的零/火线转换继电器J1、J2的线圈，当单片机U1控制零/火线转换端口PD6输出为0时，对应该驱动电路输出端DR6为开路状态，此时J1、J2两个切换继电器不动作，即L/N端与J1继电器的CB1相连，N/L端与J2继电器的CB2相连。由于插入插头时的随机性，此时不能确定CB1、CB2端哪个是零线，哪个是火线，需要通过对感应信号进行检测比较才能确定。当单片机U1控制零/火线转换端口PD6输出为1时，对应该多路驱动器U3输出端DR6为导通状态，此时J1、J2两个继电器全部切换吸合，即L/N端与J1继电器的CK1相连，N/L端与J2继电器的CK2相连。与前一种状态相比，从J1、J2继电器输出的零/火线进行了互换。通过对以上两种状态的感应信号进行检测比较后，即可确定哪个是零线，哪个时火线。

参看图4所示，软件首先采集多组整周期数据，获取直流分量，作为后续交流数据的零点值DC0；然后，软件设置单片机控制端PD6输出为0，让零/火线控制继电器处于未吸合状态，这里称之为状态①；在此状态下，经短暂延时后，采集多个周期的交流信号，扣除基值，获得纯交流成分，然后进行分析计算，获得交流基波信号的幅值数据AC1；然后，设置单片机控制端PD6输出为1，零/火线控制继电器则转入吸合状态，这里称之为状态②。在此状态下，经短暂延时后，再次采集多个周期的交流信号，扣除基值，获得纯交流成分，然后进行分析计算，获得交流基波信号的幅值数据AC2。

在以上两种状态下分别采集到了感应信号的幅值数据AC1、AC2，通过对其进行比较，如果AC1 > AC2，表示零/火线控制继电器吸合后的状态（即状态②）是正确状态，此后一直保持该状态不变，并接通放电可控硅，最后进入后续足浴器的人机交互的正常工作状态。如果AC1 < AC2，则说明状态①是正确的，需要重新设置单片机控制端PD6输出为0，让零/火线控制继电器重新回到未吸合状态，此后一直保持该状态不变，并接通放电可控硅。

当完成零/火线检测、切换、再检测后，即可确定哪种状态为正确的零/火线工作状态，锁定该状态后进行后，单片机U1的PD0端输出低电平，使驱动器U3对应的输出端DR0输出截止，此时12V电压通过R8电阻加到可控硅S1控制端上，并令其导通，至此屏蔽层便连接到了市电的零线上。