《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種SAW電子煙霧化芯片驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
李廷華1,朱東來(lái)1,韓 熠1,,雷芋琳2,,李壽波1,張 霞1,鞏效偉1,胡 泓2
1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,云南 昆明650231,; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳),機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,,廣東 深圳518055
摘要: 針對(duì)兆赫茲級(jí)高頻SAW電子煙霧化芯片驅(qū)動(dòng)需求,,基于單片機(jī)控制及直接數(shù)字頻率合成技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了一款由單片機(jī)控制模塊,、信號(hào)發(fā)生模塊,、信號(hào)處理模塊、人機(jī)交互模塊和電源模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)控制電路,,搭建了測(cè)試系統(tǒng),,并對(duì)電路的工作性能進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明,,該電路可實(shí)現(xiàn)0~65 MHz的高頻信號(hào)輸出,、頻率誤差小,且輸出功率可達(dá)4.5 W,,是一款信號(hào)輸出穩(wěn)定可靠,、精度高、頻率可調(diào)范圍廣,、負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),、小巧便攜的驅(qū)動(dòng)控制電路。本文的工作對(duì)于加速SAW技術(shù)在電子煙煙油霧化方面的應(yīng)用具有重要參考價(jià)值,,同時(shí)也可拓展應(yīng)用于其他SAW微流體霧化驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,。
中圖分類號(hào): TM12
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182083
中文引用格式: 李廷華,朱東來(lái),,韓熠,,等. 一種SAW電子煙霧化芯片驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(3):113-117.
英文引用格式: Li Tinghua,,Zhu Donglai,,Han Yi,et al. Design and implementation of driving control circuit of a SAW electronic cigarette atomization chip[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(3):113-117.
Design and implementation of driving control circuit of a SAW electronic cigarette atomization chip
Li Tinghua1,Zhu Donglai1,,Han Yi1,,Lei Yulin2,Li Shoubo1,,Zhang Xia1,,Gong Xiaowei1,Hu Hong2
1.Technical Center of China Tobacco Yunnan Industrial Co.,,Ltd.,Kunming 650231,,China,; 2.School of Mechanical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,,Shenzhen 518055,,China
Abstract: In order to meet the requirements of MHz high frequency driving in SAW(surface acoustic wave)-electronic cigarette atomization chip, a novel driving and controlling circuit has been designed and developed based on MCU control and DDS(direct digital frequency synthesis) technology, which is composed of MCU control module, signal generation module, signal processing module, human-machine interaction module, and power supply module. The systematic test platform has been setup, and the working performance of the driving and controlling circuit has been tested and analyzed. The results show that the circuit can realize sinu- soidal signal output with high frequency from 0 MHz to 65 MHz, small frequency error(~0.02%-1.9%), and adjustable power up to 4.5 W. Further, the circuit also shows significant performances with stable and reliable signal output, high precision, wide frequency range, and strong load driving capability. The work of this paper will potentially drive the application of SAW technology in the atomization of E-liquid, and the circuit can also be extended to be applied in other fields in SAW-microfluid atomization.
Key words : surface acoustic wave;electronic cigarette,;atomization,;direct digital frequency synthesis;drive and control

0 引言

    近年來(lái),,在全球控?zé)熜问胶凸娊】递浾摰碾p重壓力下,,傳統(tǒng)卷煙的發(fā)展受到越來(lái)越多的制約,電子煙作為一類極具發(fā)展?jié)摿Φ姆侨紵跃頍熖娲?,在世界范圍?nèi)掀起了產(chǎn)品研發(fā),、危害研究、市場(chǎng)拓展及健康消費(fèi)的熱潮[1-2],。

    目前,,國(guó)內(nèi)外市售主流的電子煙一般采用電熱式霧化。該方式基于熱傳導(dǎo)原理,,通過(guò)氣流傳感器,、機(jī)械按鍵或觸控按鍵等激發(fā)電子煙工作,導(dǎo)通電路給金屬發(fā)熱絲或陶瓷發(fā)熱片等供電,,加熱煙油霧化產(chǎn)生氣溶膠[3-4],。盡管電熱式霧化方式導(dǎo)熱速率快、霧化效率高,但卻普遍存在如下問(wèn)題[5-9]:霧化技術(shù)核心專利由帝國(guó)煙草公司掌控,,具有較大知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn),;電子煙連續(xù)抽吸過(guò)程中,發(fā)熱組件持續(xù)升溫可高達(dá)500~600 ℃,,存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),,煙油高溫?zé)峤鈺?huì)釋放醛類等有害成分,健康隱患大,;屬于接觸式霧化,,煙油容易在發(fā)熱組件表面燒結(jié)粘附并產(chǎn)生積碳,進(jìn)而熱解釋放CO等有害成分,、發(fā)出焦糊味或引起發(fā)熱組件阻值發(fā)生變化,;此外,煙油與發(fā)熱組件長(zhǎng)期接觸,,重金屬會(huì)浸出并轉(zhuǎn)移至氣溶膠,。為了改善或解決電熱式霧化方式存在的技術(shù)缺陷,許多新型的電子煙霧化方式相繼被提出,,如超聲波霧化[10],、電磁感應(yīng)霧化[11]聲表面波(Surface Acoustic Wave,,SAW)霧化[12],、磁懸浮離心霧化[13]、光子霧化[14]等,。在前述的這些霧化方式中,,SAW霧化憑借能量定向集中、驅(qū)動(dòng)功率低,、激勵(lì)頻率高,、發(fā)熱量小等特點(diǎn)[15-16],為能連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生有害物質(zhì)釋放量少,、粒徑小且分布均勻的氣溶膠提供了新思路,,其在電子煙煙油霧化領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。然而,,值得一提的是,,SAW霧化芯片的激勵(lì)頻率高達(dá)兆赫茲級(jí)及以上,屬于高頻射頻信號(hào)范疇,,驅(qū)動(dòng)控制電路的集成化,、小型便攜化研發(fā)是一大挑戰(zhàn)。此外,,鑒于驅(qū)動(dòng)功率對(duì)煙霧量,、激勵(lì)頻率對(duì)氣溶膠粒徑的直接影響,擬開發(fā)的驅(qū)動(dòng)控制電路還應(yīng)具備功率及頻率調(diào)節(jié)功能。

    本文基于SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子煙煙油霧化的應(yīng)用,,將AT89S52單片機(jī),、AD9851高頻信號(hào)發(fā)生電路、七階橢圓低通濾波電路,、兩級(jí)級(jí)聯(lián)電壓信號(hào)放大電路等有效集成,,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款輸出頻率和功率范圍分別從0~65 MHz和0~4.5 W連續(xù)可調(diào)、信號(hào)輸出穩(wěn)定可靠,、結(jié)構(gòu)緊湊,、體積小巧的驅(qū)動(dòng)控制電路。該電路的成功研制,,為推進(jìn)SAW霧化技術(shù)應(yīng)用并引領(lǐng)電子煙創(chuàng)新發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐,。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

    SAW霧化型電子煙的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括驅(qū)動(dòng)控制電路和霧化芯片兩部分,。驅(qū)動(dòng)控制電路主要用于給霧化芯片施以高頻交流電信號(hào),,霧化芯片的作用是將煙油霧化成氣溶膠,芯片由壓電基底和叉指換能器組成,,換能器一側(cè)的壓電基底表面上分散有煙油,,另一側(cè)涂有吸聲膠以消除反射波影響。對(duì)電子煙的工作過(guò)程描述如下:?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)控制電路,,霧化芯片通過(guò)信號(hào)接口加載高頻交流電信號(hào)并傳遞給叉指換能器,,換能器利用壓電基底自身的逆壓電效應(yīng),,將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘?hào),,形成沿壓電基底表面?zhèn)鞑サ腟AW。當(dāng)SAW與置于壓電基底上的煙油相接觸時(shí),,SAW攜帶的能量會(huì)以漏聲表面波的形式以特定角度衍射進(jìn)入煙油,,并使其自由表面產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)。當(dāng)煙油自身的表面張力不足以保持其幾何形態(tài)的穩(wěn)定時(shí),,便可產(chǎn)生氣溶膠,。顯然,驅(qū)動(dòng)控制電路是確保霧化芯片正常工作以連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生氣溶膠的前提,。此外,,考慮到電子煙是一種手持式設(shè)備,且驅(qū)動(dòng)功率和激勵(lì)頻率分別與煙霧量和氣溶膠粒徑密切相關(guān),,因此開發(fā)出一款尺寸小巧,、滿足驅(qū)動(dòng)功率需求且功率和頻率可調(diào)的高頻驅(qū)動(dòng)控制電路是SAW技術(shù)在電子煙霧化領(lǐng)域得到成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

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1.2 電路方案

    由上述分析可知,,擬開發(fā)的SAW霧化芯片配套驅(qū)動(dòng)控制電路除能連續(xù)穩(wěn)定地輸出高頻正弦波交流電信號(hào)外,,還應(yīng)滿足小尺寸以及功率、頻率可調(diào)的需求。圖2是驅(qū)動(dòng)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖,,電路主要由單片機(jī)控制模塊,、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)處理模塊,、人機(jī)交互模塊和電源模塊組成,。其中,單片機(jī)控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元,,完成各模塊之間的數(shù)據(jù)管理與信號(hào)傳輸,;信號(hào)發(fā)生模塊用于產(chǎn)生目標(biāo)高頻正弦交流電信號(hào);信號(hào)處理模塊的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波與信號(hào)放大,;人機(jī)交互模塊用于根據(jù)用戶實(shí)際抽吸需求,,進(jìn)行功率、頻率設(shè)定,,以及信息顯示,;電源模塊為各模塊電路提供電力支持。

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2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 單片機(jī)控制及人機(jī)交互電路

    單片機(jī)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路的核心,,一方面需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵盤輸入,,接收并讀取外部信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸并控制AD9851完成相應(yīng)功能設(shè)置,,另一方面需要讀取整個(gè)電路的數(shù)據(jù)并與LCD通信向用戶展示信息,。選用TPFQ型AT89S52單片機(jī),端口連線圖見圖3,。P0為8位漏極開路雙向I/O口,,每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平,P1,、P2,、P3均為具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平[17],。串行輸入RXD和串行輸出TXD與外部CH340T連接用于下載程序,,P3.2~P3.6分別與一個(gè)獨(dú)立按鍵連接,供用戶調(diào)節(jié)并設(shè)置目標(biāo)激勵(lì)頻率,,XTAL1和XTAL2用于產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘,,RST外接一個(gè)按鍵用于實(shí)現(xiàn)芯片手動(dòng)復(fù)位,P2.3~P2.7與Nokia 5110 LCD連接用于傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示,,P0及P1為單片機(jī)與AD9851之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信接口,,具體連接方式詳見AD9851高頻信號(hào)發(fā)生電路部分。

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2.1.2 AD9851高頻信號(hào)發(fā)生電路

    AD9851由數(shù)據(jù)輸入寄存器,、頻率/相位寄存器,、直接數(shù)字頻率合成DDS芯片和內(nèi)部高速比較器等組成,,其中DDS芯片內(nèi)部集成有32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表,、10位D/A轉(zhuǎn)換器,、6倍頻參考時(shí)鐘倍乘器等。DDS芯片利用數(shù)字方式累加相位,,再以相位之和作為地址來(lái)查詢正弦函數(shù)功能表得出正弦波幅度的離散數(shù)字序列,,最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出模擬正弦波交流電信號(hào)。高速DDS芯片的時(shí)鐘頻率可達(dá)180 MHz,,輸出頻率可達(dá)70 MHz,,分辨率為0.04 Hz[18]。AD9851有串行和并行兩種通信方式,,為充分發(fā)揮芯片的高速性能,,特選用并行方式,相應(yīng)端口連接圖如圖4所示,,將AD9851的D0~D7與單片機(jī)的P1.0~P1.7直接相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,,F(xiàn)Q_UD端和W_CLK端分別與單片機(jī)的P2.1和P2.2相連實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳輸,RESET端與單片機(jī)的P2.0連接實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位功能,,REFCLOCK端與30 MHz有源晶振連接獲取參考時(shí)鐘輸入信號(hào),,IOUT端輸出待處理的正弦波交流電信號(hào)。

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2.1.3 低通濾波電路

    經(jīng)過(guò)AD9851信號(hào)發(fā)生電路輸出的正弦波交流電信號(hào)很不穩(wěn)定,、噪聲偏大,,并且有階梯狀鋸齒[19],不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào),,因此需要在后級(jí)增加低通濾波電路,,用以去除基頻外的雜波分量,有效抑制諧波和雜散,,獲得穩(wěn)定的,、噪聲盡量小的目標(biāo)正弦波交流電信號(hào),。圖5為七階橢圓低通濾波電路,,電路的截止頻率可達(dá)70 MHz,運(yùn)用反歸一化方法可根據(jù)用戶需求計(jì)算出相應(yīng)電學(xué)參數(shù)以便選擇相應(yīng)的電子元器件,。頻率標(biāo)定系數(shù)為FSF=f0/f1,,其中f0為正弦波頻率,f1為濾波電路-3 dB截止頻率,。

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2.1.4 功率放大電路

    AD9851直接合成的正弦波頻率信號(hào)幅值較小,、驅(qū)動(dòng)能力弱,不足以滿足后續(xù)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需求,,同時(shí)電路的最大輸出頻率高達(dá)70 MHz,,一般的運(yùn)算放大器頻擺已不能滿足要求[20],,進(jìn)而輸出波形會(huì)嚴(yán)重失真,為此進(jìn)行兩級(jí)級(jí)聯(lián)電壓信號(hào)放大處理,,功率放大電路如圖6所示,。第一級(jí)采用高動(dòng)態(tài)范圍的AG603-89通用緩沖射頻放大器,在高頻時(shí)信號(hào)增益高且輸出電流低,;第二級(jí)采用三菱場(chǎng)效應(yīng)高頻管RD06HVF,,電位器R31用于設(shè)置放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

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2.2 軟件部分

    軟件主要是對(duì)單片機(jī)的各端口進(jìn)行設(shè)置,,以控制與其連接的各外圍電路,,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。開始上電時(shí),,所有電路及芯片進(jìn)行初始化,,LCD顯示兩行字符,分別為“Welcome to HIT”和“000 000 000 Hz”,,隨即等待用戶進(jìn)行頻率設(shè)置,。單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掃描按鍵輸入端口,當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí),,即表示設(shè)置頻率發(fā)生變化,。一方面,單片機(jī)將按鍵對(duì)應(yīng)的操作傳輸給液晶顯示屏,,向用戶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前操作和設(shè)置頻率值,;另一方面,單片機(jī)將設(shè)置對(duì)應(yīng)的控制字并傳輸給AD9851,,AD9851 射頻電路將根據(jù)單片機(jī)輸入控制字輸出對(duì)應(yīng)頻率的正弦波交流電信號(hào),,整個(gè)軟件控制流程如圖7所示。

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3 測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

    高頻SAW霧化芯片驅(qū)動(dòng)控制電路產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)Tektronix DPO 3204B數(shù)字示波器和Diamond SX-200功率計(jì)進(jìn)行測(cè)試,,測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示,。供電端選用電壓額定值為12 V(實(shí)測(cè)值為11.65 V)、電池容量為28 000 mA的可充電電池,。驅(qū)動(dòng)控制電路的正面及側(cè)面實(shí)物圖見圖9,,主要包括3層,最上層為液晶顯示電路,,為用戶直觀顯示電路輸出頻率數(shù)據(jù),;中間層為主控制層,其上集成有單片機(jī)控制電路,、AD9851高頻信號(hào)發(fā)生電路及外圍按鍵控制電路等,,用于設(shè)置并產(chǎn)生預(yù)定頻率的正弦波交流電信號(hào);最下層為信號(hào)處理層,,用于濾出噪聲干擾信號(hào),,并對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大處理,。此外,為了防止電路在工作過(guò)程中因過(guò)熱而損壞,,在底部增設(shè)了一層散熱片,,以確保電路工作狀態(tài)良好。

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3.2 測(cè)試結(jié)果

    根據(jù)如圖8中搭建的測(cè)試系統(tǒng),,對(duì)高頻SAW霧化芯片驅(qū)動(dòng)控制電路在不同頻率下的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試,,主要記錄預(yù)定頻率、實(shí)際輸出頻率,、輸出電壓峰峰值和有效值,,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出,,驅(qū)動(dòng)控制電路在0~65 MHz范圍內(nèi)能有效輸出預(yù)定的大功率信號(hào),,頻率誤差平均只有百分之零點(diǎn)幾,精度相對(duì)較高,,但當(dāng)頻率接近或大于70 MHz時(shí),,信號(hào)失真嚴(yán)重。此外,,通過(guò)旋鈕式功率控制電位器實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié),,并對(duì)不同頻率下控制電路的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,,在有效激勵(lì)頻率范圍內(nèi),,控制電路均能穩(wěn)定工作,且可實(shí)現(xiàn)0~4.5 W的任意功率輸出,,而SAW芯片實(shí)現(xiàn)煙油霧化一般僅需2.5 W左右的正弦交流電信號(hào),,因此控制電路完全能滿足霧化驅(qū)動(dòng)需求。

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4 結(jié)論

    本文基于SAW電子煙霧化芯片驅(qū)動(dòng)需求,,研發(fā)了一款輸出頻率范圍為0~65 MHz,、輸出功率范圍為0~4.5 W、全范圍可調(diào)的小型便攜式驅(qū)動(dòng)控制電路,。電路主要由AT89S52單片機(jī)控制模塊,、AD9851高頻信號(hào)發(fā)生模塊、七階橢圓低通濾波模塊,、兩級(jí)級(jí)聯(lián)電壓信號(hào)放大模塊,、Nokia 5110 LCD與按鍵組成的人機(jī)交互模塊組成,。該控制電路具有信號(hào)輸出穩(wěn)定可靠,、寬頻調(diào)節(jié)且誤差小、負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),,不僅可用于電子煙煙油霧化驅(qū)動(dòng),,也可作為滿足類似需求的其他SAW微流體霧化的驅(qū)動(dòng)源,。

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作者信息:

李廷華1,朱東來(lái)1,,韓  熠1,,雷芋琳2,李壽波1,張  霞1,,鞏效偉1,,胡  泓2

(1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,,云南 昆明650231,;

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳),機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,,廣東 深圳518055)

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