一种碳纤维红外线自热系统及控制方法与流程

本发明涉及加热装置技术领域，具体涉及一种碳纤维红外线自热系统及控制方法。

背景技术：

近几年各大、中城市轨道交通的不断建设发展，轨道交通车辆各种部件产品市场需求日益强烈，作为冬季城市轨道车辆的重要需求——供热系统，冬季为乘客提供保温保暖热源。传统供热电暖系统为电阻加热形式，其体积大，功耗高，不适合在轨道车辆内过多安装，其安装数量有限；而且，由于有些轨道车辆空间狭小的特殊性，导致无法安装传统供热电暖系统。

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维中的微晶体在电场作用下，大量碳晶分子团产生“布朗运动”，碳分子之间互相摩擦和碰撞，产生大量热能，从而实现“电能→热能”的转换。碳纤维发热具有较高的电热转换效率，目前碳纤维加热产品的应用非常广泛，但由于现有碳纤维加热产品功耗高(1m²≥700w；)，体积不够小，所以仍不适合在轨道车辆内过多安装，也无法预埋到轨道车辆相应零部件(玻璃钢椅面)内部；另外，现有碳纤维加热产品主要靠通断电流来控制温度变换，温控效果不理想，无法做到恒温控制。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题和缺陷，本发明的目的在于提供一种碳纤维红外线自热系统，该自热系统结构简单，体积小、功率低、发热效高，且能够实现恒温控制。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种碳纤维红外线自热系统，包括电源模块、温控器、碳纤维自热片、高敏电子温度传感器；其中，所述电源模块与高压输入电流电连接，用于将高压交流电转变为低压直流电；

所述温控器包括集成在pcb板上的中央控制器、分控制器，安装在温控器外壳上的电源输入端子、负载自热片输出端子、高敏传感器端子、自热片工作控制开关，拨码开关；所述中央控制器，用于进行总控制，对高敏电子温度传感器输入的12位模拟量信号模数计算处理，判断高敏电子温度传感器反馈的温度数值与拨码开关设置的目标温度的数值关系；同时，根据分控制器计算得到的拟输出功率控制碳纤维自热片输入电流的输入情况，实现对碳纤维自热片的发热情况的控制，使其维持在目标温度范围内，达到温度恒定的控制；

所述分控制器与中央控制器电连接，用于根据拨码开关设置的目标温度及中央处理器计算得到的高敏电子温度传感器反馈的温度数值，采用pid算法计算拟输出功率，时时修正碳纤维自热片输出功率；

所述电源输入端子与电源模块电连接，电流通过电源输入端子进入温控器，使温控器开始工作，其中一部分低压直流电通过负载自热片输出端子输出给温控器外接的碳纤维自热片，为碳纤维自热片供电，使碳纤维自热片加热；另一部分低压直流电经过温控器内部的输出稳压电路模块变为dc3.3v直流电，用于启动温控器内部的中央控制器及pcb板上电器元件；

所述负载自热片输出端子与碳纤维自热片电连接；

所述高敏传感器端子与高敏电子温度传感器电连接；

所述拨码开关与中央控制器电连接，用于设定系统温度；

所述碳纤维自热片的碳纤维发热层是由n条碳纤维丝相互交叉后编织而成，通过控制编织碳纤维丝的疏密程度，控制碳纤维自热片发热面积功耗；

所述高敏电子温度传感器安装在待加热区域内，高敏电子温度传感器实时的监测碳纤维自热片的温度，并将反馈的12位模拟量信号通过高敏传感器端子实时传输给中央控制器；

所述自热片工作控制开关，用于控制碳纤维自热片的启动。

作为本发明的优选，所述碳纤维自热片的厚度小于1mm，碳纤维自热片包括碳纤维发热层、传导铜片、电源导线、预浸料层；其中，所述碳纤维发热层是由n条碳纤维丝相互交叉后编织而成；所述传导铜片通过碳纤维丝缠绕固定在碳纤维发热层的周围；所述电源导线的一端与传导铜片电连接，电源导线的另一端与温控器的负载自热片输出端子电连接；所述预浸料层包覆在碳纤维发热层的周围，对碳纤维自热片密封绝缘。

作为本发明的优选，所述温控器内部的pcb板上还集成有输入稳压电路模块、输出稳压电路模块、温度输出电路模块、输入信号采集放大器电路模块、温度拨码开关电路模块；其中，所述输入稳压电路模块与电源输入端子电连接，输入稳压电路模块，用于为温控器提供稳定输入电压；

所述输出稳压电路模块与输入稳压电路模块电连接，输出稳压电路模块，用于为温控器提供输出电压，用于给温控器pcb板中的微电子元器件供电；

所述温度输出电路模块一端与高敏传感器端子电连接，另一端与输入信号采集放大器电路模块电连接；温度输出电路模块，用于将高敏电子温度传感器探测的温度通过输入信号采集放大器电路模块后反馈给中央控制器；

所述输入信号采集放大器电路模块与中央控制器电连接；输入信号采集放大器电路模块，用于放大温度输出电路模块的高敏温度传感器输入的温度反馈信号；

所述温度拨码开关电路模块与拨码开关和中央控制器电连接。

作为本发明的优选，所述温控器内部的pcb板上还集成有自热片电源输入电路模块、自热片控制电路模块、温度启动控制端电路模块；其中，所述自热片电源输入电路模块与负载自热片输出端子电连接，用于将dc24v直流电输入给自热片电压电流线路，为自热片提供稳定输入电压；

所述自热片控制电路模块与中央控制器和自热片电源输入电路模块电连接，用于根据中央控制器的计算结果控制每路碳纤维自热片电流电压和功率容量；

所述温度启动控制端电路模块与自热片工作控制开关和中央控制器电连接，用于控制自热片电源输入电路模块的启动，从而实现每路自热片可单独启动升温工作。

作为本发明的优选，所述温控器外壳上还安装电源指示灯、温控指示灯；其中，所述电源指示灯与电源指示灯电路模块电连接，电源指示灯电路模块与电源输入端子电连接，电源指示灯用于电压正常输入时进行可视化显示，当控制电压正常输入时电源指示灯恒亮；所述温控指示灯与温控指示灯电路模块电连接，温控指示灯电路模块与自热片控制电路模块电连接，温控指示灯用于每路温度控制正常工作的可视化显示，当每路碳纤维自热片温控正常工作时，温控指示灯长亮，当温度上升至所述拨码开关设置的目标温度时，温控指示灯熄灭。

作为本发明的优选，所述中央控制器与cmos监控电路模块电连接，cmos监控电路模块用于监控电源电压、电池故障、中央控制器或分控制器的工作状态。

作为本发明的优选，所述拨码开关设置在温控器外壳上，或采用远程控制拨码开关，拨码开关采用0/1二进制控制原理，上设五个控制按钮，每个控制按钮可拨动0/1两个档位，不同控制按钮的0/1档位的不同组合分别对应0～100℃的温度限制。

作为本发明的进一步优选，所述预浸料层采用玻璃纤维预浸料，所述传导铜片为直径小于1mm圆柱结构。

本发明的另一目的在于提供一种碳纤维红外线自热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将碳纤维红外线自热系统安装在待加热区域内；

步骤2、将待加热的碳纤维自热片所对应的自热片工作控制开关打开，使碳纤维自热片处于待加热状态，之后通过拨码开关设定目标温度；

步骤3、接通电源，碳纤维自热片开始加热，此时高敏电子温度传感器实时的监测碳纤维自热片的温度，并将反馈的12位模拟量信号通过高敏传感器端子实时传输给中央控制器；

步骤4、中央控制器对高敏电子温度传感器输入的12位模拟量信号模数计算处理，判断高敏电子温度传感器反馈的温度数值与拨码开关设置的目标温度的数值关系；

步骤5、分控制器用于根据拨码开关设置的目标温度及中央处理器计算得到的高敏电子温度传感器反馈的温度数值，采用pid算法计算拟输出功率，时时修正碳纤维自热片输出功率；

步骤6、中央控制器根据分控制器计算得到的拟输出功率控制碳纤维自热片输入电流的输入情况，实现对碳纤维自热片的发热情况的控制，使其维持在目标温度范围内，达到温度恒定的控制。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明提供的自热系统结构简单，该自热系统区别于传统的电阻加热形式，其采用碳纤维自热片，利用碳原子布朗运动的摩擦生热的红外线放热形式，产生热量的形式更加环保、安全和高效。

(2)本发明自热系统中的碳纤维自热片与传统碳纤维自热片相比发热面积功耗1m²≤300w，在同等发热量的情况下，功耗更低；自热片采用预浸料封装层结构，此结构预埋至玻璃钢内不会导致玻璃钢受热后内部分层，而传统碳纤维自热片封装基材为无纺布或无纺棉结构，无法预埋至玻璃钢内部，在玻璃钢内部加热后会导致玻璃钢分层；本发明自热系统中的自热片厚度控制在1mm以下，不占用玻璃钢铺层内部空间；而传统碳纤维自热片厚度达到2.5mm以上；本发明自热系统中的碳纤维自热片中的碳纤维为网状织物结构，区别于传统碳纤维自热片内碳纤维的图层结构，在碳纤维含量更少的情况，产生更大的发热量，具有更高的经济效益和更低的成本优势。

(3)本发明自热系统的自热片由于选用自身材质特性可以满足en45545-hl3防火等级，iso5660-1辐射热流35kw/m2，均为传统自热片无法实现的参数要求。

(4)本发明自热系统通过对温控器的改进，能够时时修正碳纤维自热片输出功率，以此线性控制负载碳纤维自热片温度维持在系统目标温度，达到系统温度恒定控制的目的，解决传统通断电流来控制温度变换，即只有通电给热，断电断热，所控温温度的曲线为波动型，无法将温度控制为恒值的技术难题。

附图说明

图1是本发明的自热系统的连接示意图；

图2是本发明碳纤维自热片的结构示意；

图3是本发明温控器与碳纤维自热片的连接示意图；

图4是本发明温控器与高敏电子温度传感器的连接示意图；

图5是本发明温控器pcb板电路说明图之一；

图6是本发明温控器pcb板电路说明图之二；

图7是本发明温控器pcb板电路说明图之三。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

参阅图1至图4，本发明提供的一种碳纤维红外线自热系统，包括电源模块1、温控器2、碳纤维自热片3、高敏电子温度传感器4；其中，所述电源模块1与高压输入电流电连接，用于将高压交流电转变为低压直流电；

所述温控器2包括集成在pcb板上的中央控制器210、分控制器211，安装在温控器外壳2-5上的电源输入端子2-1、负载自热片输出端子2-2、高敏传感器端子2-3、自热片工作控制开关2-4，拨码开关；所述中央控制器，用于进行总控制，对高敏电子温度传感器输入的12位模拟量信号模数计算处理，判断高敏电子温度传感器反馈的温度数值与拨码开关设置的目标温度的数值关系；同时，根据分控制器计算得到的拟输出功率控制碳纤维自热片输入电流的输入情况，实现对碳纤维自热片的发热情况的控制，使其维持在目标温度范围内，达到温度恒定的控制；

所述分控制器与中央控制器电连接，用于根据拨码开关设置的目标温度及中央处理器计算得到的高敏电子温度传感器反馈的温度数值，采用pid算法(pid调节器)计算拟输出功率，时时修正碳纤维自热片输出功率；

所述电源输入端子2-1与电源模块1电连接，电流通过电源输入端子进入温控器，使温控器开始工作，其中一部分低压直流电通过负载自热片输出端子输出给外接温控器的碳纤维自热片，为碳纤维自热片供电，使碳纤维自热片加热；另一部分低压直流电经过温控器内部的输出稳压电路模块变为dc3.3v直流电，用于启动温控器内部的中央处理器及pcb板上电器元件；

所述负载自热片输出端子2-2与碳纤维自热片3电连接；

所述高敏传感器端子2-4与高敏电子温度传感器4电连接；

所述拨码开关与中央控制器电连接，用于设定系统温度；

所述碳纤维自热片3的碳纤维发热层是由n条碳纤维丝相互交叉后编织而成，通过控制编织碳纤维丝的疏密程度，控制碳纤维自热片发热面积功耗1m²≤300w；

所述高敏电子温度传感器4安装在待加热区域内，高敏电子温度传感器实时的监测碳纤维自热片的温度，并将反馈的12位模拟量信号通过高敏传感器端子实时传输给中央控制器；

所述自热片工作控制开关，用于控制碳纤维自热片的启动。

继续参阅图2，所述碳纤维自热片3的厚度小于1mm，碳纤维自热片3包括碳纤维发热层3-1、传导铜片3-2、电源导线3-3、预浸料层3-4；其中，所述碳纤维发热层3-1是由n条碳纤维丝相互交叉后编织而成；所述传导铜片3-2通过碳纤维丝缠绕固定在碳纤维发热层的周围，传导铜片为直径小于1mm圆柱结构；所述电源导线1的一端与传导铜片3-2电连接，电源导线的另一端与温控器的负载自热片输出端子电连接；所述预浸料层3-4包覆在碳纤维发热层的周围，对碳纤维自热片密封绝缘，预浸料层采用玻璃纤维预浸料。

参阅图5至图7，所述温控器内部的pcb板上还集成有输入稳压电路模块201、输出稳压电路模块202、温度输出电路模块203、输入信号采集放大器电路模块204、温度拨码开关电路模块205、自热片电源输入电路模块206、自热片控制电路模块207、温度启动控制端电路模块208；其中，所述输入稳压电路模块201与电源输入端子2-1电连接，输入稳压电路模块201，用于为温控器提供稳定输入电压(输入5.5v到36v直流电压，经过tps5430转换装置，转换为dc24v直流电压)；

所述输出稳压电路模块202与输入稳压电路模块201电连接，输出稳压电路模块202，用于为温控器提供输出电压，用于给温控器pcb板中的微电子元器件供电(采用ams1117-3.3稳压器将dc24v的正向压降为dc3.3v)；

所述温度输出电路模块203一端与高敏传感器端子2-3电连接，另一端与输入信号采集放大器电路模块204电连接；温度输出电路模块203，用于将高敏电子温度传感器探测的温度通过输入信号采集放大器电路模块204后反馈给中央控制器210；

所述输入信号采集放大器电路模块204与中央控制器210电连接；输入信号采集放大器电路模块204，用于放大温度输出电路模块203的高敏温度传感器输入的温度反馈信号；

所述温度拨码开关电路模块205与拨码开关和中央控制器电连接；

所述自热片电源输入电路模块206与负载自热片输出端子2-2电连接，用于将dc24v输入给自热片电压电流线路，为自热片提供稳定输入电压；

所述自热片控制电路模块207与中央控制器和自热片电源输入电路模块206电连接，用于根据中央控制器的计算结果控制每路碳纤维自热片电流电压和功率容量；

所述温度启动控制端电路模块208与自热片工作控制开关2-4和中央控制器电连接，用于控制自热片电源输入电路模块的启动，从而实现每路自热片可单独启动升温工作。

本发明所述温控器外壳上还安装电源指示灯、温控指示灯2-6；其中，所述电源指示灯与电源指示灯电路模块212电连接，电源指示灯电路模块与电源输入端子电连接，电源指示灯用于电压正常输入时进行可视化显示，当控制电压正常输入时电源指示灯恒亮；所述温控指示灯2-6与温控指示灯电路模块213电连接，温控指示灯电路模块213与自热片控制电路模块207电连接，温控指示灯用于每路温度控制正常工作的可视化显示，当每路碳纤维自热片温控正常工作时，温控指示灯长亮，当温度上升至所述拨码开关设置的目标温度时，温控指示灯熄灭。

本发明所述拨码开关可以设置在温控器外壳上，也可采用远程控制拨码开关，拨码开关采用0/1二进制控制原理，上设五个控制按钮，每个控制按钮可拨动0/1两个档位，不同控制按钮的0/1档位的不同组合分别对应0～100℃的温度限制，操作人员通过控制拨码开关来调节温度设定，同时拨码开关将温度限定信息通过温度拨码开关电路模块发送给中央控制器，中央控制器接到温度限定信息信号后控制碳纤维自热片的温度变化，进而实现温度调节功能。

本发明所述中央控制器与cmos监控电路模块214电连接，cmos监控电路模块214用于监控电源电压、电池故障、中央控制器210(微处理器mpu或mp)或分控制器211(微控制器mcu或mc或pid调节器)的工作状态。

本发明中的中央控制器210和分控制器211采用stm32f103，stm32f103使用高性能的cortextm-m332位的risc内核，工作频率为72mhz，内置高速存储器(高达128k字节的闪存和20k字节的sram)，512kbflash，包含2个12位的adc、3个通用16位定时器和1个pwm定时器。

本发明中的中央控制器401与所述温度拨码开关电路模块205的连接方式包括：所述中央控制器210的输出引脚heat1sw1、heat1sw2、heat1sw3、heat1sw4、heat1sw5与所述温度拨码开关电路模块205的输入引脚heat1sw1、heat1sw2、heat1sw3、heat1sw4、heat1sw5相连；所述中央控制器210的输出引脚heat2sw1、heat2sw2、heat2sw3、heat2sw4、heat2sw5与温度拨码开关电路模块205的输入引脚heat2sw1、heat2sw2、heat2sw3、heat2sw4、heat2sw5相连；中央控制器210的输出引脚heat3sw1、heat3sw2、heat3sw3、heat3sw4、heat3sw5与温度拨码开关电路模块205的输入引脚heat3sw1、heat3sw2、heat3sw3、heat3sw4、heat3sw5相连；中央控制器210的输出引脚heat4sw1、heat4sw2、heat4sw3、heat4sw4、heat4sw5与温度拨码开关电路模块205的输入引脚heat4sw1、heat4sw2、heat4sw3、heat4sw4、heat4sw5相连；

所述中央控制器210与所述cmos监控电路模块214的连接方式包括：中央控制器210的输出引脚rst、mcuwd1与cmos监控电路模块214的输入引脚rst、mcuwd1相连；

所述中央控制器210与自热片控制电路模块207的连接方式包括：所述中央控制器210的输出引脚mcuheat1与自热片控制电路模块207的输入引脚mcuheat1相连接，并从输出引脚heat1gnd与温控指示灯电路模块213的输入引脚heat1gnd及自热片电源输入电路模块206的引脚heat1out相连，其heat1out引脚与自热片电源输入电路模块206的引脚heat1out相连；

中央控制器210的输出引脚mcuheat2与自热片控制电路模块207的引脚mcuheat2相连接，并从引脚heat2gnd输出与温控指示灯电路模块213的引脚heat2gnd及自热片电源输入电路模块206的引脚heat2out相连，其heat2out引脚与自热片电源输入电路模块206的引脚heat2out相连；

中央控制器210的输出引脚mcuheat3与自热片控制电路模块207的引脚mcuheat3相连接，并从输出引脚heat2gnd与温控指示灯电路模块213的引脚heat3gnd及自热片电源输入电路模块206的引脚heat3out相连，其heat3out引脚与自热片电源输入电路模块206的引脚heat3out相连；

中央控制器210的输出引脚mcuheat4与自热片控制电路模块207的引脚mcuheat4相连接，并从输出引脚heat4gnd与温控指示灯电路模块213的引脚heat4gnd及自热片电源输入电路模块206的引脚heat4out相连，其heat4out引脚与自热片电源输入电路模块206引脚heat4out相连；

所述中央控制器210与输入信号采集放大器电路模块204的连接方式包括：

中央控制器210的输出引脚couper_dec1与输入信号采集放大器电路模块204的输入引脚couper_dec1相连，其输入引脚couperin1与温度输出电路模块203的引脚couperin1相连；

中央控制器210的输出引脚couper_dec2与输入信号采集放大器电路模块204的输入引脚couper_dec2相连，其输入引脚couperin2与温度输出电路模块203的引脚couperin2相连；

中央控制器210的输出引脚couper_dec3与输入信号采集放大器电路模块24的输入模块couper_dec3相连，其输入引脚couperin3与温度输出电路模块203的引脚couperin3相连；

中央控制器210的输出引脚couper_dec4与输入信号采集放大器电路模块204的输入引脚couper_dec4相连，其输入引脚couperin4与温度输出电路模块203的引脚couperin4相连；

本实施例中的中央控制器210的引脚heat_start1、heat_start2、heat_start3、heat_start4与温度启动控制端电路模块208的引脚heat_start1、heat_start2、heat_start3、heat_start4相连；

电源输入端子2-1与输入稳压电路模块201的输入引脚vcc_24v相连、并与电源指示灯电路模块212的输入引脚vcc_24v相连；输入稳压电路模块201的输出引脚vcc5v与输出稳压电路模块202的输入引脚vcc5v相连，输出稳压电路模块202的输出引脚3.3vcc与分控制器211的输入引脚3.3vcc相连，并且与cmos监控电路模块214的输入引脚3.3vcc相连，并且与温度拨码开关电路模块205的输入引脚3.3vcc相连。

本实施例中的电路连接使用fr4绝缘板上双面敷铜线连接各个pcb板上的元器件。

实施例2

一种碳纤维红外线自热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将碳纤维红外线自热系统安装在待加热区域内；

步骤2、将待加热的碳纤维自热片所对应的自热片工作控制开关打开，使碳纤维自热片处于待加热状态，之后通过拨码开关设定目标温度；

步骤3、接通电源，碳纤维自热片开始加热，此时高敏电子温度传感器实时的监测碳纤维自热片的温度，并将反馈的12位模拟量信号通过高敏传感器端子实时传输给中央控制器；

步骤4、中央控制器对高敏电子温度传感器输入的12位模拟量信号模数计算处理，判断高敏电子温度传感器反馈的温度数值与拨码开关设置的目标温度的数值关系；

步骤5、分控制器用于根据拨码开关设置的目标温度及中央处理器计算得到的高敏电子温度传感器反馈的温度数值，采用pid算法计算拟输出功率，时时修正碳纤维自热片输出功率；

步骤6、中央控制器根据分控制器计算得到的拟输出功率控制碳纤维自热片输入电流的输入情况，实现对碳纤维自热片的发热情况的控制，使其维持在目标温度范围内，达到温度恒定的控制。