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，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.
0 引言
近年來，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姆侨紵跃頍熖娲罚谑澜绶秶鷥?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)電子煙的工作過程描述如下：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)控制電路，霧化芯片通過信號(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。
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。
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。
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)。
2.1.3 低通濾波電路
經(jīng)過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。
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)。
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。
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程中因過熱而損壞，在底部增設(shè)了一層散熱片，以確保電路工作狀態(tài)良好。
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。
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。
參考文獻(xiàn)
[1] NAYIR E，KARACABEY B，KIRCA O，et al.Electronic cigarette(e-cigarette)[J].Journal of Oncological Science，2016，2(1)：16-20.
[2] MYERS M L.Towards more effective FDA premarket review of new tobacco products[J].Tobacco Control，2016，25(3)：243-244.
[3] 朱東來，陳永寬，韓熠，等.電子煙[M].昆明：云南大學(xué)出版社，2015.
[4] GRANA R，BENOWITZ N，GLANTZ S A.E-cigarettes：a scientific review[J].Circulation，2014，129(19)：1972-1986.
[5] KONSTANTINOS E，GILLMAN I，STEPHEN S，et al.Analytical assessment of e-cigarettes: From contents to chemical and particle exposure profiles[M].North Carolina：Elsevier，2016.
[6] GUTHERY W.Emissions of toxic carbonyls in an electronic cigarette[J].Beitrae Zur Tabakforschung，2016，27(1)：30-37.
[7] MIKHEEV V B，BRINKMAN M C，GRANVILLE C A，et al.Real-time measurement of electronic cigarette aerosol size distribution and metals content analysis[J].Nicotine & Tobacco Research Official Journal of the Society for Research on Nicotine & Tobacco，2016，18(9)：1895-1902.
[8] SLEIMAN M，LOGUE J M，MONTESINOS V N，et al.Emissions from electronic cigarettes: key parameters affecting the release of harmful chemicals[J].Environmental Science & Technology，2016，50(17)：9644.
[9] ZULKIFLI A，ABIDIN E Z，ABIDIN N Z，et al.Electronic cigarettes: a systematic review of available studies on health risk assessment[J].Rev Environ Health，2018，33(1)：43-52.
[10] 潘雪松，陳健.具有超聲波霧化功能的電子煙及煙液：中國(guó)，CN103932404A [P]. 2014.
[11] 黃忠輝，田兆福，陸漓，等.一種基于電磁感應(yīng)加熱的霧化電子煙：中國(guó)，CN105595432A[P]. 2016.
[12] 韓熠，李壽波，孟凡晉，等.一種聲表面波霧化器：中國(guó)，CN201610767046.5[P]. 2016.
[13] 韓熠，李壽波，李廷華，等.一種磁懸浮離心霧化電子煙：中國(guó)，CN106026780A[P]. 2016.
[14] 陳永寬，吳俊，朱東來，等.一種光子霧化煙：中國(guó)，CN106307621A[P]. 2016.
[15] QI A，F(xiàn)RIEND J R，YEO L Y，et al.Miniature inhalation therapy platform using surface acoustic wave microfluidic atomization[J].Lab on A Chip，2009，9(15)：2184-2193.
[16] WANG J，HU H，YE A，et al.Experimental investigation of surface acoustic wave atomization[J].Sensors & Actuators A Physical，2016，238：1-7.
[17] 陳京培.AT89S52單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[D].無錫：江南大學(xué)，2007.
[18] 陳京培，徐永梅.基于AT89S52單片機(jī)的液晶顯示控制電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(22)：22-25.
[19] WILLIAMS A B，TAYLOR F J.電子濾波器設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.
[20] 塞爾吉?dú)W.佛朗哥，劉樹棠，朱茂林，等.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.
作者信息:
李廷華1，朱東來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)