使用无绳底座的数据通信 【技术领域】
本发明涉及无绳电壶，具体是壶和底座之间有数据通信的无绳电壶。
背景技术
已知的无绳电壶是由底座供电，并且壶可以与底座分开。然而大多数市售的这类壶不提供除开/关之外的更复杂的控制。一些期望的“控制”包括温度控制，或者和壶所制作的饮料类型相关的选择。在无绳电壶中，容器和底座之间的电力传递通过三极连接器实现。三极连接器把电力从底座传递到容器中的加热元件。
在某些情况下希望除开关电源外的用户控制。例如，对于泡茶，具有用户可调的温度设置是有用的。为了让市售的具有三极连接的壶方便地实现额外的用户控制，需要有控制算法和在容器上设置用户接口按键。然而在容器上设置用户接口按键会给用户带来一些不便，也限制了壶的设计灵活性。
【发明内容】
因此，本技术的一个目标是使无绳电壶的电源底座与壶体之间能进行数据通信。
本技术的另一目标是使用户能从电源底座控制无绳电壶的功能或参数，如温度。
本技术一些实施例还有一个目标是在无绳电壶中提供沸点估计装置。
另外还希望为方位不敏感的壶在电源底座中提供用户控制。
【附图说明】
为了更好地理解本发明，参考下列附图，其中：图1是无绳电壶的横截面透视图，其中无绳电壶的容器与底座之间可进行数据通信；图2(a)是分解透视图，显示经过三极连接器的电源线通信中所涉及的组件；图2(b)是分解透视图，显示经过五极连接器的电源线通信中所涉及的组件；图3是分解透视图，显示射频通信中所涉及的组件；图4是分解透视图，显示红外通信中所涉及的组件；图5(a)是分解透视图，显示电磁通信中所涉及的组件；图5(b)是分解透视图，显示电磁发射器和电磁接收器之间空间关系的示例；图6是水的沸点温度和海拔之间的关系图；和图7是在各种海拔高度可安全工作的无绳电壶的一个实施例的透视图；图8是描述底座与容器之间的三极连接的示意图；图9是发射器的示意图；图10是接收器的示意图；图11(a)是描述高频载波调制数据的示意图；图11(b)是描述解调数据的示意图；图11(c)是描述逻辑“0”脉冲、逻辑“1”脉冲、起始位脉冲和终止位脉冲的示意图；图11(d)是描述一种被传送数据示例的示意图；图12是解耦装置的电路图；图13是放大器的电路图；图14是高通滤波器的电路图；图15是接收器的电路图；图16是容器的电路图；图17是底座的电路图；图18是描述底座中的软件控制的流程图；图19是描述容器中的软件控制的流程图；和图20是一种避免壶内干烧事件的方法流程图。
【具体实施方式】
如图1所示，一种无绳电壶或制热饮器100具有壶体(或容器)101，其适合置于电源底座102的顶部。优选，在壶体相对电源底座的任何转动方位，壶都可以工作。对本说明书来说，这类壶被称为“360°壶”或“方位不敏感”，而要求电源底座与容器之间的固定方位的壶称为“方位固定壶”。
壶体又分为液体隔间103和(干燥的)控制隔间104。控制隔间104容纳组件，如温度传感器105、处理器或所需的MCU和加热元件106。如果该装置是煮茶器或酿酒器，则液体或控制隔间103、104可以还具有配合酿造的相关装置如电动机107和输送器108，例如用来使茶叶能够沉没。在控制隔间104内，还有一块印刷电路板或其它合适电路或处理器等(为方便起见统称为“PCB”)109，其由上连接器110供电，其使得能够对如前所述的组件进行软件和/或逻辑或电源控制。
控制隔间底部中形成有一个凹陷或开口。电源底座102连接到电源接口，并支承容纳在凹陷中的延伸出的下连接器或耦接件111。下连接器111可连接到上连接器或耦接件110，并且当电源底座102和容器101组合时与上连接器110电接触。容器使电力能够传递到容纳在控制隔间104中的各组件。
在图1所示类型的一个实施例中，电源底座102容纳第二PCB 112，其与下连接器111电连接，并适合参与和第一PCB 109进行的数据通信。电源底座102还包含外部的用户控制装置113和其它部件如变量、用户选择的饮料设置、温度或剩余酿造时间的电子显示器。
由于电源底座102通常比控制隔间104装入的组件要少，因此在电源底座102内提供第二PCB 112使用户控制装置与数字显示器的布局具有更大程度的灵活性。
用户可从电源底座控制无绳电壶的操作。第二PCB 112把控制参数编码成数据信号，数据信号经由连接器110和111传送到容器的PCB 109。容器的PCB 109然后把这些信号解码为命令，这些命令直接或间接地操纵控制隔间中的各种组件，如电动机、热敏电阻器或加热元件。PCB之间的数据通信优选是双向的，允许从上PCB到下PCB的反馈通信。下面说明具有不同数据通信方法的实施例。
在图2(a)所示实施例中，第一和第二PCB 201和202参与电源线通信。第一和第二PCB 201和202分别连接到控制隔间中的上连接器203和电源底座中的下连接器204。这样数据和电力共用相同的物理连接。
对于360°壶，上连接器和下连接器可各为，例如传统的三接触或五接触(即三“极”或五“极”)连接器。对于连接器，可使用来自例如(但不限于)制造商Strix或Otter的目录产品。
在图2(a)所示实例中，上连接器和下连接器203、204各有三个圆形的极。所有三极都是需要的，例如对于加热元件205。其中两极用于加热元件，而第三极需要作为地。通过改变连接209、210和211的电源波形，就可以在PCB 201和202之间发送通信信号。例如，这可以通过改变经过连接209、210和211发送的波形的开关占空比实现。用户使用用户控制装置206输入的参数、输入或请求可被解释并转换为操作或反馈命令给组件如加热元件205、电动机207和热敏电阻器208。
如图2(b)所示，上连接器和下连接器212、213各为五极连接器。不改变用于壶的各组件的三个连接214、215和216的占空比，PCB 217和218采用附加的两极219和220作为数据链接直接相互通信。下PCB 218把来自用户控制装置221的参数如壶中液体的期望温度限值转换成对组件如加热元件222和电动机223的操作命令。使用附加的下连接器极219和220及其相应的上连接器极所形成的数据接触件，这些参数被发送给上PCB 217。上PCB 217随后发送适当的命令、电力或信号给各种组件。类似地，上PCB 217将热敏电阻器224的输出编码为反馈命令，并经由两个数据链极219和220直接把反馈传给下PCB 218。
尽管图2(b)将最外面的两个接触件219和220绘制为作为数据链接使用，但是应当意识到五个接触件中任意两个都可用于此目的。
在下面说明的实施例中，图示说明的是五极连接器，但是也可使用三极连接器。在图3所示实施例中，第一和第二PCB 301和302之间的无线数据通信通过射频(RF)发射器和接收器实现。来自下连接器303的电力给安装在第二PCB 302上的RF发射器304和RF接收器305供电。容器的PCB(即上PCB)301通过上连接器306被供电，并且其类似地配备RF发射器307和RF接收器308，使两个PCB之间可进行RF通信。发射器和接收器能被完全封装，因而密封且不可见。使用控制和显示面板309输入控制参数。这些参数被编码为RF信号并由下RF发射器304发送。上PCB 301通过上RF接收器308接收该信息，并将其解码为对组件如电动机310和加热元件312的命令。上PCB 301把来自热敏电阻器311的输出编码成反馈信号，并类似地通过RF通信把反馈信号发送给下PCB 302。
在图4所示实施例中，无线数据通信可通过采用红外线或可见光的光发射器和光接收器实现。例如可使用发光二极管(LED)。不像无线电波，红外和LED信号只能通过光透射物质传输。并且发射器需要把信号导向接收器。对于360°壶，多个发射器的环401围绕在下连接器402周围布置。发送的信号使用环形折射透镜403发散出去。此布置优化信号的均匀分布，且有助于确保信号的分布和接收，而无论容器相对于电源底座的方位如何。在此实施例中，各发射器与接收器成对布置。发射器-接收器对例如均匀布置在下连接器402周围。例如这样的四对相互成90°分布在连接器周围。发射器和接收器对405和407、折射透镜406的相同布置也位于上连接器408周围。
用户使用控制面板414输入的控制参数由下PCB 410编码成红外或LED信号。PCB 410将要传送的信号发送给下发射器401。下发射器401将信号发送给上接收器407。接收到的信号由上PCB 409解码为对包括电动机411和加热元件413的组件的控制命令。上PCB409把来自热敏电阻器412的输出编码成反馈信号，并类似地通过光或红外传输把反馈信号传送给下PCB 410。
在图5(a)所示实施例中，PCB之间的数据通信使用电磁(EM)信号实现。EM发射器和EM接收器，需要大体彼此相对或对齐才能工作，其可以使用各种形状和尺寸，取决于可用布局内装配的发射器和接收器。在此例中，EM发射器环或天线501位于例如360°壶的下连接器502的周围。发射器环501通过环绕金属环或芯504的绕组线503构成，并且使电流通过绕组503产生EM场。EM接收器505位于上PCB 506上或者至少与之通信，并处于发射器环501的EM场中。类似地，EM发射器环或天线507置于上连接器508的周围，而另一个EM接收器509处于该发射器的EM场内，并位于下PCB 510上或与之通信。这样，通过改变经过发射器环501和507中绕组的电流，就可以以变化的EM场的形式发送数据。从控制面板511输入的控制参数由下PCB 510转换成EM信号。下发射器环501将EM信号发送给上EM接收器505。上PCB 506将接收到的信号解码为对组件如电动机512和加热元件514的控制命令。上PCB 506也能把来自热敏电阻器513的输出编码成反馈信号，并类似地通过EM传输把反馈信号传送给下PCB 510。
如图5(b)所示，在优选实施例中，各接收器将位于例如其相应发射环的投影圆周内，以获得最佳信号品质。因而，位于上PCB 516上的上接收器515通常处于下EM发射器518的投影圆周内。同样地，位于下PCB 520上的下接收器519处于上EM发射器环522的投影圆周内。虽然各接收器不必正好置于其相应发射环的圆周内，然而接收器必须放置在发射环产生的EM场足够强以使其能够被接收到的位置。
如图6所示，水的沸腾温度在较高海拔601处低于在海平面602处。因此，在较高海拔处，因为海平面沸腾温度永远达不到，所以设置为感应或检测海平面沸腾温度的壶将持续沸腾直至壶烧干。这产生与火灾危险和热损伤相关的安全问题。因此，人们希望一些实施例中含有控制装置，能适应壶工作在各种海拔高度。
水温度在到达沸点以后不会继续上升。因此，可以通过监测水温变化来检测是否已达到沸点。当水温停止变化时，就以有意义的方式检测到水沸腾了。
图7所示实施例与图1所示的基本相同，但是图7中的实施例能工作在不同海拔高度。上PCB 701接收的输入来自温度传感器，例如位于壶700的控制隔间703中的热敏电阻器702。此PCB 701在这里包含软件704，其通过评估在预定时间间隔温度何时停止变化来判断水是否达到沸点。可以设想在其它实施例中控制软件705可配备于下PCB 706上。还可将上PCB软件和下PCB软件704、705都用于集成用户输入和传感器输入。在这类实施例中，无论海拔多少，壶都可以安全地用来煮沸水或其它饮料。
如图8所示，底座连接器813和容器连接器814各有三条电力线：中线821和824，带电线822和825，以及地线823和826。地线823和826提供接地连接。中线821和824以及带电线822和825传输电能到加热元件815。开关827可操纵用于打开或关闭容器连接器814的带电线825。除三极连接外，容器811和底座812之间不需要有其它电连接。
电力线传输通常在高压(通常120或240V)和低频(通常50或60Hz)下进行。为了能通过三极连接发送，控制信号为具有高频载波的低压脉宽调制数字数据。后面将会讨论，高频载波允许数据通过信号滤波器并进入电力线。
底座中的发射器处理控制数据，用于将其发送给容器。容器中的接收器分离和处理控制数据，并用它控制容器的操作。
如图9所示，发射器930含有放大器931和解耦装置932。MCU 917发送数字控制信号给放大器931。放大器931将信号强度放大，并帮助判断要增添进电力线922和923的信号的强度。优选是，放大器931在低功率工作并只在短距离内，如40厘米，沿着交流(AC)电缆线传送信号。在这样设置的下，放大的信号传输到另一个接插在同一主电路中的壶的可能性较小。
放大的信号通过解耦装置932。解耦装置932是一个高通滤波器，其在低频如50或60Hz时表现高阻抗，而在高频如125Hz时表现低阻抗。解耦的信号随后被加进电力线922和923中。电力线922和923传送由电力信号和控制信号组成的复合信号。
如图10所示，容器电力线1024和1025从底座电力线1022和1023接收复合信号，将其发送给负载1041如加热元件，也发送给接收器1040。接收器1040发送数据给容器MCU 1042。
接收器1040包括解耦装置1043。该解耦装置1043具有与发射器1030中的解耦装置1032相同的或类似的频率特性。复合信号通过解耦装置1043后，控制数据被从复合信号的余下部分中解耦出来。解耦的信号被传送给容器MCU 1042。
优选是，接收器1040也包括高通滤波器1044，其对解耦的信号进一步滤波后再传送给容器MCU 1042。高通滤波器1044具有比解耦装置1043稍窄的通频带，因为高通滤波器1044的下截止频率比解耦装置1043的下截止频率高。例如，高通滤波器1044的通频带开始于大约38KHz。
优选接收器1040还含有调谐放大器1045。调谐放大器1045为解耦的信号提供增益，但仅在预调谐频率或预调谐频率范围内。特别是在优选实施例中，解耦的信号通过高通滤波器1044，然后通过调谐放大器1045。高通滤波器1044和调谐放大器1045用于进一步分离和增强控制数据。在一些实施例中，可能有附加的放大器1091对调谐放大器1045的输出进一步增强(见图15)。在本例中，调谐放大器1045含有解调器(或包络检波器)1046，其将解耦的信号解调成低压数字脉冲。在另一实施例中，解调器1046可与调谐放大器1045分开。
容器MCU 1042将解调的信号解码成各种控制功能或事件。容器MCU 1042产生的解码数据被转播给控制负载1041的控制电路1047。优选是，控制电路47还监测负载电路1041的工作或状态，并发送反馈数据给容器MCU 1042。
在另外的优选实施例中，容器和底座参与双向通信。容器11还含有一个发射器930。容器MCU 1042对将由发射器930传送给底座的数据，如反馈数据，进行编码。相应地，底座还含有一个接收器1040。底座MCU解码接收器接收到的数据。解码的数据可被转换为可显示的信息。例如，该信息可能是当前温度或当前的壶工作状态。信息可从显示区域例如液晶显示器看到。电路和数据示例
图11(a)描绘通过高频载波调制的低压数字数据。图11(b)描绘解调的低压数字数据。逻辑值“1”以长脉宽1151为特征，而逻辑值“0”以短脉宽1152为特征。如图11(c)所示，逻辑“1”脉冲1153、逻辑“0”脉冲1154、起始位1155和终止位1156各包含一个高电平1157和一个跟随的低电平1158。高低电平1157和1158的持续时间显示在下表中。
脉冲类型 高电平持续时间 低电平持续时间
逻辑“0” 0.75毫秒 0.5毫秒
逻辑“1” 1.5毫秒 0.5毫秒
起始位 2毫秒 0.5毫秒
终止位 2.5毫秒 0.5毫秒
图11(d)描绘示例的传送信号1159，并图示说明数据传送协议。起始位1155标记信号1159的开始。起始位1155后面跟随一个四位的识别码1160。数据位1161跟随在识别码1160之后。为了错误检查，数据位1161后面跟随一个四位校验和1162。最后，终止位56标记信号1159的结束。
如图12所示，解耦装置(932和1043)可通过并联的电阻电容电路实现。
如图13所示，放大器931可采用单晶体管设计。在此示例中，采用了结型晶体管1370。解耦的信号被发送到基极1371中，并且从集电极1372可获得放大的信号。
如图14所示，接收器1040中的高通滤波器1044是一个电阻电容高通电路。
图15描绘实现接收器1040的优选实施方案的电路。
图16描绘容器1601的电路示意图，该容器具有接收器1040，其接收来自电力线1024和1025的数据并且将数据解码。该容器还具有发射器30，其将数据编码并通过电力线824和825将数据发送给底座。
图17描绘底座1712的电路示意图。底座1712具有接收器1040，其接收来自电力线1721和1722的数据并将数据解码。底座还具有发射器，其将数据编码并通过电力线1721和1722将数据添加到容器中。软件控制过程
图18描绘发生在底座中的软件控制或检查示例。MCU首先检查容器是否正确放置1821。软件持续检查正确的放置1822直到其检测到容器被正确放置。如果容器放置正确，底座中的MCU软件可选地产生一个随机识别码并发送该码给容器1823。随机识别码使同一个壶的容器和底座能相互识别。容器忽略来自无法识别的底座的数据，而底座也忽略来自无法识别的容器的数据。
底座MCU然后检查是否用户已使用用户接口按键进行任何输入1824。如果用户已做出选择，MCU就将用户的选择转换成编码的数字数据1825。否则，MCU发送请求容器的状态1826。用户的选择可以是，例如期望的温度或酿造的饮料类型。
编码的数字数据通过高频载波调制1827，然后通过电力线发送1828。MCU尝试检测来自容器的数据应答1829。此检测尝试可能持续大约50毫秒。检测应答失败1830触发MCU再次通过电力线发送编码数据1828。检测到应答1831触发MCU请求容器的状态1826。当前状态可能是，例如容器中当前的饮料温度，或容器中当前正在酿造的饮料的类型。
MCU等待接收容器的状态1832。接收状态失败1833触发MCU检测容器是否正确放置在底座上。如果容器放置正确，MCU再次发送状态请求1826。否则，MCU持续检测正确放置1821。
当底座MCU接收到容器的状态后，容器的状态就被显示在用户可视的显示区域上1834。状态被显示1834后，底座MCU继续检测用户做出的新选择或输入1823。
图19描绘发生在容器中的软件控制或检查示例。初始化1901以后，容器的MCU等待来自底座的数据1935。容器的MCU接收到数据1936后，它检查容器的状态1937。如有需要，该MCU处理容器经历的任何异常情况1938。容器状态然后被发送回底座1939。
容器的MCU接收到来自底座的数据1936后，也向底座发送数据接收应答或确认1940。然后，该MCU解码数据1941。解码的数据由该MCU处理1942。根据处理的数据，该MCU可命令某些功能执行1943。例如，该MCU可命令测量当前饮料温度。
数据处理1942后，该MCU一接收到来自底座的状态请求1945就可传送容器状态1944。如果处理的数据包含容器MCU注册底座识别码的请求(即处理的数据含识别码)1946，则该MCU检查当前是否有任何注册的识别码1947。如果没有识别码被注册，该MCU就注册底座识别码1948。
图20图示判定何时关闭煮沸装置中的加热元件以避免干烧情况的替代办法2000的流程图。如流程图中所示，在接通所述元件前，计时器设置为0 2001，并且软件中存有目标温度的预定初始值2002。理论上这个值可以是低于沸点的任何温度。此例中，我们用0作为初始目标温度。在启动时，处理器或MCU命令接通加热元件，并开始读取容器中液体的实时温度。一旦MCU读取到液体的实时温度，它就立刻将实时温度与目标温度进行比较2003。该实时测量的温度不要求存储在存储器中，因为它仅用于与目标温度进行比较。如果比较显示测量的实时温度大于目标温度，目标温度就递增例如1度，同时计时器重设为0 2004。如果测量的实时温度不大于目标温度，计时器就递增例如1秒2005。无论哪种情况，温度比较之间都强加延时间隔例如1秒2006。这样，比较将在一定时间间隔(例如1秒)内完成，并且如果测量的温度高于目标温度，计时器将重设为0并提高目标温度用于下次比较。如果计时器达到预定值(例如5秒)2007，而测量的温度在此时间范围内不能达到新的目标温度，MCU把这个事件解释为已达到沸点并发送命令来关闭加热元件2008。如果测量的温度在此时间范围内能达到新的目标温度，比较2003就重复2009。
虽然参考构造的具体细节已经描述本发明，但是应该理解这些是作为示例提供的，并且不限制本发明的精神或范围。