目前，国内外市售主流的电子烟一样平常采取电热式。该办法基于热传导事理，通过气流传感器、机器按键或触控按键等引发电子烟事情，导通电路给金属发热丝或陶瓷发热片等供电，加热烟油雾化产生气溶胶[3-4]。只管电热式雾化办法导热速率快、雾化效率高，但却普遍存在如下问题[5-9]：雾化技能核心专利由帝国烟草公司掌控，具有较大知识产权侵权风险；电子烟连续抽吸过程中，发热组件持续升温可高达500～600 ℃，存在潜在安全风险的同时，烟油高温热解会开释醛类等有害身分，康健隐患大；属于打仗式雾化，烟油随意马虎在发热组件表面烧结粘附并产生积碳，进而热阐明放CO等有害身分、发出焦糊味或引起发热组件阻值发生变革；此外，烟油与发热组件长期打仗，重金属会浸出并转移至气溶胶。为了改进或办理电热式雾化办法存在的技能毛病，许多新型的电子烟雾化办法相继被提出，如超声波雾化[10]、电磁感应雾化[11]、(Surface Acoustic Wave，SAW)雾化[12]、磁悬浮离心雾化[13]、光子雾化[14]等。在前述的这些雾化办法中，SAW雾化凭借能量定向集中、驱动功率低、勉励频率高、发热量小等特点[15-16]，为能连续稳定地产生有害物质开释量少、粒径小且分布均匀的气溶胶供应了新思路，其在电子烟烟油雾化领域运用前景十分广阔。然而，值得一提的是，SAW雾化芯片的勉励频率高达兆赫兹级及以上，属于高频射频旗子暗记范畴，电路的集成化、小型便携化研发是一大寻衅。此外，鉴于驱动功率对烟雾量、勉励频率对气溶胶粒径的直接影响，拟开拓的驱动掌握电路还应具备功率及频率调节功能。
本文基于SAW技能实现电子烟烟油雾化的运用，将AT89S52单片机、AD9851高频旗子暗记发生电路、七阶椭圆低通滤波电路、两级级联电压旗子暗记放大电路等有效集成，设计并实现了一款输出频率和功率范围分别从0~65 MHz和0~4.5 W连续可调、旗子暗记输出稳定可靠、构造紧凑、体积小巧的驱动掌握电路。该电路的成功研制，为推进SAW雾化技能运用并引领电子烟创新发展供应了主要技能支撑。
1 电路设计
1.1 需求剖析
SAW雾化型电子烟的基本构造如图1所示，紧张包括驱动掌握电路和雾化芯片两部分。驱动掌握电路紧张用于给雾化芯片施以高频互换电旗子暗记，雾化芯片的浸染是将烟油雾化成气溶胶，芯片由压电基底和叉指换能器组成，换能器一侧的压电基底表面上分散有烟油，另一侧涂有吸声胶以肃清反射波影响。对电子烟的事情过程描述如下：启动驱动掌握电路，雾化芯片通过旗子暗记接口加载高频互换电旗子暗记并通报给叉指换能器，换能器利用压电基底自身的逆压电效应，将电旗子暗记转变为声旗子暗记，形成沿压电基底表面传播的SAW。当SAW与置于压电基底上的烟油相打仗时，SAW携带的能量会以漏声表面波的形式以特定角度衍射进入烟油，并使其自由表面产生强烈扰动。当烟油自身的表面张力不敷以保持其几何形态的稳定时，便可产生气溶胶。显然，驱动掌握电路是确保雾化芯片正常事情以连续稳定产生气溶胶的条件。此外，考虑到电子烟是一种手持式设备，且驱动功率和勉励频率分别与烟雾量和气溶胶粒径密切干系，因此开拓出一款尺寸小巧、知足驱动功率需求且功率和频率可调的高频驱动掌握电路是SAW技能在电子烟雾化领域得到成功运用的关键。
1.2 电路方案
由上述剖析可知，拟开拓的SAW雾化芯片配套驱动掌握电路除能连续稳定地输出高频正弦波互换电旗子暗记外，还应知足小尺寸以及功率、频率可调的需求。图2是驱动掌握电路的构造框图，电路紧张由单片机掌握模块、旗子暗记发生模块、旗子暗记处理模块、人机交互模块和电源模块组成。个中，单片机掌握模块作为全体系统的掌握单元，完成各模块之间的数据管理与旗子暗记传输；旗子暗记发生模块用于产生目标高频正弦互换电旗子暗记；旗子暗记处理模块的浸染是实现旗子暗记滤波与旗子暗记放大；人机交互模块用于根据用户实际抽吸需求，进行功率、频率设定，以及信息显示；电源模块为各模块电路供应电力支持。
2 电路实现
2.1 硬件部分
2.1.1 单片机掌握及人机交互电路
单片机是全体驱动掌握电路的核心，一方面须要实时监测键盘输入，吸收并读取外部旗子暗记，实现旗子暗记传输并掌握AD9851完成相应功能设置，另一方面须要读取全体电路的数据并与LCD通信向用户展示信息。选用TPFQ型AT89S52单片机，端口连线图见图3。P0为8位漏极开路双向I/O口，每位能驱动8个TTL逻辑电平，P1、P2、P3均为具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平[17]。串行输入RXD和串行输出TXD与外部CH340T连接用于下载程序，P3.2~P3.6分别与一个独立按键连接，供用户调节并设置目标勉励频率，XTAL1和XTAL2用于产生内部时钟，RST外接一个按键用于实现芯片手动复位，P2.3~P2.7与Nokia 5110 LCD连接用于传输系统数据并进行显示，P0及P1为单片机与AD9851之间的数据传输与通信接口，详细连接办法详见AD9851高频旗子暗记发生电路部分。
2.1.2 AD9851高频旗子暗记发生电路
AD9851由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、直接数字频率合成DDS芯片和内部高速比较器等组成，个中DDS芯片内部集成有32位相位累加器、正弦函数功能查找表、10位D/A转换器、6倍频参考时钟倍乘器等。DDS芯片利用数字办法累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数功能表得出正弦波幅度的离散数字序列，末了经D/A转换后输出仿照正弦波互换电旗子暗记。高速DDS芯片的时钟频率可达180 MHz，输出频率可达70 MHz，分辨率为0.04 Hz[18]。AD9851有串行和并行两种通信办法，为充分发挥芯片的高速性能，特选用并行办法，相应端口连接图如图4所示，将AD9851的D0~D7与单片机的P1.0~P1.7直接相连实现数据传输，FQ_UD端和W_CLK端分别与单片机的P2.1和P2.2相连实现掌握旗子暗记传输，RESET端与单片机的P2.0连接实现芯片复位功能，REFCLOCK端与30 MHz有源晶振连接获取参考时钟输入旗子暗记，IOUT端输出待处理的正弦波互换电旗子暗记。
2.1.3 低通滤波电路
经由AD9851旗子暗记发生电路输出的正弦波互换电旗子暗记很不稳定、噪声偏大，并且有阶梯状锯齿[19]，不是标准的正弦波旗子暗记，因此须要在后级增加低通滤波电路，用以去除基频外的杂波分量，有效抑制谐波和杂散，得到稳定的、噪声只管即便小的目标正弦波互换电旗子暗记。图5为七阶椭圆低通滤波电路，电路的截止频率可达70 MHz，利用反归一化方法可根据用户需求打算出相应电学参数以便选择相应的电子元器件。频率标定系数为FSF=f0/f1，个中f0为正弦波频率，f1为滤波电路-3 dB截止频率。
2.1.4 功率放大电路
AD9851直接合成的正弦波频率旗子暗记幅值较小、驱动能力弱，不敷以知足后续负载的驱动需求，同时电路的最大输出频率高达70 MHz，一样平常的运算放大器频摆已不能知足哀求[20]，进而输出波形会严重失落真，为此进行两级级联电压旗子暗记放大处理，功率放大电路如图6所示。第一级采取高动态范围的AG603-89通用缓冲射频放大器，在高频时旗子暗记增益高且输出电流低；第二级采取三菱场效应高频管RD06HVF，电位器R31用于设置放大电路的静态事情点。
2.2 软件部分
软件紧张是对单片机的各端口进行设置，以掌握与其连接的各外围电路，进而实现相应功能。开始上电时，所有电路及芯片进行初始化，LCD显示两行字符，分别为“Welcome to HIT”和“000 000 000 Hz”，随即等待用户进行频率设置。单片机实时监测扫描按键输入端口，当有按键动作时，即表示设置频率发生变革。一方面，单片机将按键对应的操作传输给液晶显示屏，向用户实时显示当前操作和设置频率值；另一方面，单片机将设置对应的掌握字并传输给AD9851，AD9851 射频电路将根据单片机输入掌握字输出对应频率的正弦波互换电旗子暗记，全体软件掌握流程如图7所示。
3 测试与结果剖析
3.1 测试系统
高频SAW雾化芯片驱动掌握电路产生的旗子暗记通过Tektronix DPO 3204B数字示波器和Diamond SX-200功率计进行测试，测试系统如图8所示。供电端选用电压额定值为12 V(实测值为11.65 V)、电池容量为28 000 mA的可充电电池。驱动掌握电路的正面及侧面实物图见图9，紧张包括3层，最上层为液晶显示电路，为用户直不雅观显示电路输出频率数据；中间层为主掌握层，其上集成有单片机掌握电路、AD9851高频旗子暗记发生电路及外围按键掌握电路等，用于设置并产生预定频率的正弦波互换电旗子暗记；最下层为旗子暗记处理层，用于滤出噪声滋扰旗子暗记，并对有用旗子暗记进行放大处理。此外，为了防止电路在事情过程中因过热而破坏，在底部增设了一层散热片，以确保电路事情状态良好。
3.2 测试结果
根据如图8中搭建的测试系统，对高频SAW雾化芯片驱动掌握电路在不同频率下的事情状态进行测试，紧张记录预定频率、实际输出频率、输出电压峰峰值和有效值，实验测试结果如表1所示。由表中数据可以看出，驱动掌握电路在0~65 MHz范围内能有效输出预定的大功率旗子暗记，频率偏差均匀只有百分之零点几，精度相对较高，但当频率靠近或大于70 MHz时，旗子暗记失落真严重。此外，通过旋钮式功率掌握电位器实现输出功率调节，并对不同频率下掌握电路的驱动能力进行测试。结果表明，在有效勉励频率范围内，掌握电路均能稳定事情，且可实现0~4.5 W的任意功率输出，而SAW芯片实现烟油雾化一样平常仅需2.5 W旁边的正弦互换电旗子暗记，因此掌握电路完备能知足雾化驱动需求。
4 结论
本文基于SAW电子烟雾化芯片驱动需求，研发了一款输出频率范围为0~65 MHz、输出功率范围为0~4.5 W、全范围可调的小型便携式驱动掌握电路。电路紧张由AT89S52单片机掌握模块、AD9851高频旗子暗记发生模块、七阶椭圆低通滤波模块、两级级联电压旗子暗记放大模块、Nokia 5110 LCD与按键组成的人机交互模块组成。该掌握电路具有旗子暗记输出稳定可靠、宽频调节且偏差小、负载驱动能力强等优点，不仅可用于电子烟烟油雾化驱动，也可作为知足类似需求的其他SAW微流体雾化的驱动源。
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作者信息:
李廷华1，朱东来1，韩 熠1，雷芋琳2，李寿波1，张 霞1，巩效伟1，胡 泓2
(1.云南中烟工业有限任务公司技能中央，云南 昆明650231；
2.哈尔滨工业大学(深圳)，机电工程与自动化学院，广东 深圳518055)
