CN105146756A - 一种智能电加热卷烟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能电加热卷烟系统，包括电源模块、加热模块、控制模块、液晶显示模块、无线通信模块、外壳及数据终端；所述电源模块主要由高效可充电电池构成，加热模块的内部设有圆柱形腔体，普通香烟可以直接置入其中，实现加热；控制模块的核心是嵌入式微处理器；液晶显示模块包括的液晶显示屏，可以实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数，并通过无线通信模块发送给数据终端。数据终端可以对相关数据进行监控与分析，并将用户的吸烟习惯反馈给用户。本发明可以随时调节加热温度，采用智能控制算法实现对温度的智能控制，提升用户的吸烟体验，同时可以设定和控制用户吸烟量限制额，实现健康管理。

Description

一种智能电加热卷烟系统

技术领域

本发明涉及电加热型烟具技术领域，具体涉及一种智能电加热卷烟系统。

背景技术

烟支燃烧有两种形式：一种是抽吸时的燃烧，称为吸燃，吸燃产生的烟气称为主流烟气；另一种是抽吸间隙的燃烧，称为阴燃，阴燃产生的烟气称为侧流烟气。研究证实，主流烟气和侧流烟气两者相比，侧流烟气中的有害物质含量比主流烟气中的有害物质含量多得多，因此侧流烟气更具毒性，这无疑给吸烟者和周围人群带来更大的危害。如何减少甚至消除侧流烟气的产生是新一代卷烟发展的方向。

有关研究发现，香烟在加热非燃烧状态下释放烟气的特性与传统点燃状态下不同。当香烟被加热到250℃到350℃范围内时，烟气均匀性、香味量和舒适性均具有良好的品质，同时还可以减少侧流烟气的产生。此外，香烟没有被点燃，不会产生明火，安全性比较好。

加热型卷烟的加热方式主要包括电加热、燃料加热、理化反应加热等。其中，电加热卷烟作为新型烟草制品中的一类主要产品，其研究与开发普遍受到了烟草企业的重视。例如，在国外，菲利普·莫里斯生产公司对电加热卷烟做了大量研究，并先后开发推出了“Accord”、“Heatbar”和“EHP”等品牌的电加热卷烟，烟草在“Accord”产品内的最高温度约为500℃，低于传统卷烟燃烧的950℃，显著降低了卷烟有害成分和环境烟气释放量；而在国内有湖北中烟、郑州烟草研究院等单位或企业开展了电加热卷烟方面的相关研究。

从已公布的专利及公开报道来看，现有的电加热卷烟产品或设计专利，主要是利用在特制吸烟工具中填充烟草材料如烟支、烟丝或烟片等，通过电池给加热装置供电，加热装置提供热量使烟草填充材料挥发出烟气，从而使抽烟者获取类似传统卷烟的抽吸感受。现有的电加热卷烟产品存在以下缺点：

当前的加热温度、电池剩余的电量、用户已抽吸的口数、用户已抽吸的根数、用户一天抽吸频率最高的时间段等有关数据没有得到及时显示与统计，显得不够人性化。

由于温度控制系统是一类非线性、慢时变、大时滞的不确定控制系统，单纯的加热很容易使每次抽吸的加热温度出现较大差异、波动和震荡，会影响用户的抽吸体验。

发明内容

本发明提出一种智能电加热卷烟系统，能够实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数，清晰明了；可以限制用户的吸烟数量；根据用户的不同需求，可随时自行调节加热温度；增强用户的抽吸体验。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种智能电加热卷烟系统，包括外壳以及位于外壳内部的电源模块、控制模块、液晶显示模块、加热模块；所述电源模块为系统提供电能；所述控制模块采用智能控制方法，用于智能控制加热模块的工作状态；所述液晶显示模块实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数；所述加热模块内部开有一圆柱形腔体，用于插入香烟，圆柱形腔体内部设有电发热材料，对放入的香烟进行加热。

进一步，还包无线通信模块、括数据终端，所述无线通信模块位于外壳内部，负责与数据终端通信，发送前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数数据信息；所述数据终端接收数据信息并进行监控与分析，得到用户的吸烟习惯，并发送给用户。

进一步，所述电源模块包括可充电电池、充电接口、充电指示灯、电源开关；所述充电指示灯在充电过程中发出指示信号；所述电源开关为按钮式开关，用于启动或关闭系统。

进一步，所述控制模块包括电路板以及集成在电路板上的嵌入式微控制器、电压传感器、温度传感器、继电器；所述嵌入式微处理器预先下载有智能控制算法程序。

进一步，所述智能控制算法为分段数字PID控制算法、模糊控制算法、预测控制算法、神经网络控制算法或自适应PID控制算法中的一种或多种。

进一步，所述智能控制算法程序具有锁死功能，当用户一天内吸烟的根数达到一定数量时，所述控制模块控制加热模块停止工作。

进一步，所述液晶显示模块中的液晶显示屏使用扭曲向列型液晶显示屏，布置外壳表面，所述液晶显示屏上有当前加热温度显示、电池剩余电量显示、抽吸口数显示、抽吸根数显示。

进一步，所述抽吸口数由抽吸传感器检测获得，所述抽吸根数由压力传感器检测获得，抽吸传感器和压力传感器均安装在圆柱形腔体的底端；所述圆柱形腔体的底端还开设有进气口。

进一步，所述加热模块的电加热材料为圆形螺旋状的镍铬合金电阻丝，电阻丝通过继电器与电池直接相连，所述微控制器向所述继电器提供控制信号，从而控制所述电阻丝电路的通断。

进一步，所述加热模块外壳侧边有两个按钮，分别是开始加热按钮和停止加热按钮；所述外壳采外形为长方体形状或圆柱体形状，并分为两段；所述两段式外壳之间采用插拔式嵌套连接，并用锁紧螺钉固定。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，通过液晶显示屏实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数，清晰明了；还自带锁死功能，用户一天抽烟达到一定数量时，系统自动锁死，无法工作，可以限制用户的吸烟数量，为用户健康考虑；根据用户的不同需求，可随时自行调节加热温度；通过智能控制算法控制加热温度，温度调节稳定、准确、快速，不会出现偏差、波动和震荡，增强用户的抽吸体验；还通过无线通信模块将有关数据发送给数据终端以监控与分析，数据终端分析用户的抽烟习惯，并控制系统按照用户最喜爱的方式工作。

附图说明

图1是本发明智能电加热卷烟系统的第一种结构示意图。

图2是本发明智能电加热卷烟系统的主剖视图。

图3是本发明智能电加热卷烟系统的第二种结构示意图。

图4是本发明智能电加热卷烟系统的第三种结构示意图。

图5是本发明智能电加热卷烟系统的第四种结构示意图。

图6是本发明中智能温度控制系统的结构框图。

图7是本发明智能电加热卷烟系统的整体结构图。

图8是本发明智能电加热卷烟系统的液晶显示屏显示界面示意图。

图9是本发明智能电加热卷烟系统的数据终端显示界面示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明智能电加热卷烟系统的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

如图1所示智能电加热卷烟系统，电源模块1、控制模块2、液晶显示模块3、无线通信模块4、加热模块5、外壳6及数据终端7构成。所述外壳6整体为长方体形状，采用两段式设计，方便拆卸和维修。分别为第一段和第二段，两段之间采用插拔式嵌套连接，并通过锁紧螺钉8锁紧。

如图1所示第一段包括电源模块1，位于系统的前端。所述电源模块1主要包括电池9，通过支座固定安装在外壳6的内部，用来为整个系统提供电能。在所述第一段外壳6表面还布置有充电接口10、充电指示灯11和电源开关12。所述充电接口10用来给电池9充电，所述充电指示灯11用来显示充电状态，所述电源开关12用来控制系统的开启与停止。

如图1所示第二段包括控制模块2、液晶显示模块3、无线通信模块4、加热模块5，位于系统的后端。所述控制模块2包括微控制器13、电压传感器15、温度传感器16、继电器17，均采用集成安装在电路板14上，所述微控制器13以单片机为核心，实现了控制系统的功能：可以控制所述加热模块5开始加热和停止加热，控制所述液晶显示模块3实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数，控制所述无线通信模块4用于与数据终端7之间的实时通信。所述电压传感器15实时监测电池9的电压，从而得到所述电量显示数据28。所述温度传感器16实时检测电阻丝当前的加热温度，从而得到所述温度显示数据29。所述继电器17用于控制电阻丝23上流过电流的通断，从而控制加热时间。

如图1所示，液晶显示模块3安装在外壳6上表面，用来显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数。

如图1所示，无线通信模块4通过螺钉固定在系统外壳6的内部，用来实现系统与所述数据终端7之间数据的传输，所述数据包括加热温度、电池电量、抽吸口数、抽吸根数和用户一天当中抽吸频率高的时间段。

如图1所示，加热模块5包括圆柱形腔体18、压力传感器20、进气口21、抽吸传感器22、电阻丝23和按钮26。所述圆柱形腔体18开在系统内部，所述普通香烟19可伸入其中实现加热。所述压力传感器20安装在圆柱形腔体18的底端，用来检测是否有香烟伸入，从而记录抽吸根数。所述进气口21开在外壳6表面，用来使空气进入系统中，实现抽吸。所述抽吸传感器22安装在圆柱形腔体18底端，用来记录抽吸口数。所述电阻丝23环绕成圆环状布置在圆柱形腔体18内部，用来实现对香烟的加热。所述按钮26布置在外壳6的表面，可以实现开始加热和暂停加热的功能。

如图9所示，数据终端7用来接收系统发送过来的加热温度、电池电量、抽吸口数、抽吸根数以及用户一天当中抽吸频率高的时间段等数据，进行分析后再反馈给用户。

如图3所示，第二种结构的外壳6整体为圆柱体形状，采用两段式设计，第一段包括所述的电源模块1，位于系统的前端；第二段包括所述的控制模块2、液晶显示模块3、无线通信模块4、加热模块5，位于系统的后端。两段之间采用插拔式嵌套连接，并通过锁紧螺钉8锁紧。

如图1所示，电源模块1包括电池9，所述的电池9高效可充电电池，如可充电、高倍率、大容量锂离子电池，电压为3.7V-9V。

如图1所示，电源模块1的外壳表面设置有充电接口10、充电指示灯11、电源开关12。所述电池9在充电过程中，所述充电指示灯中红色灯亮；电充满后，所述充电指示灯中绿色灯亮。在系统未启动状态下，长按所述电源开关12，系统启动，再长按所述电源开关12，系统关闭。

如图1所示，控制模块2包括一个嵌入式微控制器13。所述微控制器13选用TI公司的MSP430F449单片机。所述单片机具有超低功耗、运算速度快、处理能力强、片内资源丰富的特点，用在所述的系统中很合适。

如图1所示，微控制器13以集成在所述电路板14上的形式布置。所述电路板14上还集成有所述电压传感器15、温度传感器16、继电器17、液晶显示模块3以及无线通信模块4。所述电路板14呈长方形，用四个螺钉固定四个角。

如图1所示，电压传感器15采用霍尔电压传感器。所述霍尔电压传感器测量精度高、稳定可靠，可实时测量电池的电压，输出的信号给所述微处理器13处理后得到剩余电量的百分比数，通过所述的液晶显示模块3显示。

如图1所示，温度传感器16采用热电偶温度传感器。所述热电偶温度传感器采用PT100铂热电阻，线性度高、稳定性好。

如图1所示，无线通信模块4采用GPRS模块为核心，可直接与所述微控制器13相连，通过一定的协议实现与所述数据终端7之间数据的收发。

如图1所示，微控制器13中已预先下载了程序，所述程序包括实现系统加热、液晶显示、无线通信的基本功能的程序以及智能控制加热温度的智能控制程序。所述智能控制程序采用分段数字PID控制算法与模糊控制算法相结合的智能控制算法。所述分段数字PID控制算法就是在温度变化不同的阶段采用不同的控制规律。在当前温度离目标温度差距较大时，只采用比例控制，使加热温度迅速上升。一段时间后，加入微分控制，可以加快到达目标温度，并使加热温度不会过高以致超过目标温度。在温度达到目标温度附近时，加入积分控制，能有效消除误差，使最后的温度与目标温度偏差很小。但由于温度控制系统的不确定性，只采用分段数字PID算法还不能获得较好的控制效果。模糊控制能在大偏差时迅速减小偏差，控制动态性能好、超调量小、鲁棒性强。采用模糊控制与PID控制相结合，在温度差距较大时采用模糊控制，能加快温度上升速度。在温度差距较小时采用PID控制，能使温度误差较小。

如图1所示，微控制器13中的程序带有限制抽吸根数的锁死程序。通过设置，当一天内用户抽吸数量达到一定值时，即所述的压力传感器20记录的抽吸根数值达到一定值时，发送给单片机后，单片机进行分析处理，给所述的继电器17发送控制信号，控制所述的加热模块5的电阻丝23电路始终处于断开状态，即所述的加热模块5始终无法工作，从而控制了用户的吸烟量，为用户的健康考虑。

如图1所示，液晶显示模块3包括一个液晶显示屏，所述液晶显示屏使用扭曲向列型液晶显示屏(TN)，其布置在所述控制模块2外壳表面。所述液晶显示屏可以显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数。

如图1所示，加热模块5内部开有一圆柱形腔体18，所述圆柱形腔体18的内径与所述普通香烟19外径相当，腔体的长度与所述普通香烟19烟草部分的长度相当。用户使用时，直接将所述的普通香烟19置入腔体中，烟草部分在腔体内，烟嘴部分在外壳外面，用户通过留在外面的烟嘴部分完成抽吸。

如图1所示，加热模块5内部的圆柱形腔体顶端有所述的压力传感器20。当所述普通香烟19置入腔体后被压力传感器20检测到，所述压力传感器20发送信号给单片机，所述单片机分析处理后发送控制信号给继电器17，可以使所述的加热模块5电阻丝电路接通，所述加热模块5可以工作。

如图1所示，加热模块5与外界之间通过进气通道连接，开有一个小孔作为所述进气口21。用户在吸烟时，通过所述的进气口21吸入空气。

如图1所示，进气通道内设有所述的抽吸传感器22。当用户抽吸时，检测到流动的空气，可以记录抽吸的口数，将所记录的抽吸口数值发送给单片机，所述单片机分析处理后发送给液晶显示模块3以显示，还通过无线通信模块4以发送给数据终端7。

如图1所示，电阻丝23绕制成圆形螺旋状，固定在所述圆柱形腔体的内壁。圆形螺旋状结构节省空间，发热效果好，可以充分加热烟草。

如图1所示，电阻丝23与电池直接相连，所述电阻丝23上流过的电流由电池8直接提供，所述继电器17控制电流的通断，而所述继电器17的控制信号由所述微控制器13提供。所述微控制器13通过程序产生所述的控制信号。所述微控制器13发送控制信号给继电器17，从而控制所述电阻丝23电路的通断，实现了开始加热和停止加热。

如图4所示，第三种结构的电阻丝23上流过的电流可以由超级电容24产生，超级电容24具有电量存储量大、充放电迅速、放电电流大的特点。在所述电阻丝23两端设置所述超级电容24，所述超级电容24与电池8相连，系统刚开始启动时，所述电池8给超级电容24充电，其充电速度迅速。需要加热时，通过所述单片机给继电器17发送控制信号，从而控制所述超级电容24放电电路接通，给所述电阻丝23放电，提供流过所述电阻丝23上的电流。

如图5所示，第四种结构的电阻丝23上流过的电流可以由交变磁场感应得到。在所述系统中设置振荡电路25，所述振荡电路25由运算放大电路、电阻电感电容元件构成，所述振荡电路25与单片机相连。需要加热时，所述单片机发送控制信号给振荡电路25，所述振荡电路25产生高频交变磁场，根据电磁感应原理，所述电阻丝23在交变磁场中可以感应出电流，即为流过所述的电阻丝23上的电流。

如图1所示，加热模块5的外壳侧边设置有所述的按钮26，带有“O”符号的为开始加热按钮，带有“口”符号为停止加热按钮。用户按动一次所述的开始加热按钮，所述加热模块5开始工作，温度向程序中设置的目标温度靠近，达到目标温度后自动停止加热。所述目标温度为200℃，用户可以再次按动所述的开始加热按钮，所述加热模块5继续加热工作。用户可以随时按动停止加热按钮使加热模块停止工作，可以在任意的温度下吸烟。如果用户觉得还需要更深的体验，可以继续按动开始加热按钮，使温度继续上升。

如图1所示，加热模块5使加热温度上升的最高值设置为500℃。当温度达到500℃时，所述微处理器13收到温度传感器16的信号后，会通过所述继电器17控制加热模块5无法工作。

如图1所示电源模块1、控制模块2、加热模块5之间都通过所述的隔热材料27隔离，特别是所述加热模块5的圆柱形腔体18的外壁。所述隔热材料24包括保温隔热纸、玻璃纤维棉板(毡)或聚氨酯发泡板。

如图1所示的外壳6采用玻璃纤维材料，隔热效果好、价格低。

如图5所示的智能电加热吸烟系统的液晶显示屏显示界面，显示的数据有所述的电量显示28、温度显示29、抽吸口数30及抽吸根数31。

本发明在使用时，先将一根普通香烟19置入加热模块5的圆柱形腔体18内，压力传感器20检测到后，可以发送信号给微控制器13，微控制器13分析处理后可以发送控制信号给继电器17，继电器17可以控制加热模块5工作。长按电源开关12，系统启动，液晶显示模块3的液晶显示屏亮起，温度传感器16检测到当前的温度发送信号给微控制器13，微控制器13发送控制信号给液晶显示模块3使温度显示29的数值为室温，抽吸口数显示30和抽吸根数显示31的数值为0。按动按钮26中的“o”按钮，控制模块2发送控制信号给继电器17，控制电阻丝23电路接通，加热模块5开始工作，温度传感器16检测到温度不断上升，发送信号给微控制器13后，微控制器13发送控制信号给液晶显示模块3使温度显示29示数不断上升。温度达到程序中设定的目标温度200℃后，微处理器13接收到温度传感器16发送的信号，分析处理后能发送控制信号给继电器17，使电阻丝23电路断开，从而使加热模块5停止工作，自动停止加热，用户可以开始抽吸，每抽吸一口，抽吸传感器22可以感应到气流的变化，发送信号给微控制器13，微控制器13分析处理后，发送控制信号给液晶显示模块3，使抽吸口数显示30的数值增加1，从而完成了对抽吸口数的记录。用户可以再次按动“o”按钮开始加热调节温度。当按动按钮26中的“口”按钮时，微控制器13发送控制信号给继电器17以断开电阻丝23电路，使加热模块5停止加热工作，此时温度为任意值。由于采用了分段数字PID控制算法与模糊控制算法相结合的智能控制算法，温度调节稳定、准确、快速，不会出现偏差、波动和震荡，可以增强用户的抽吸体验。当用户抽完一根烟时，将其从圆柱形腔体18中拿出，并放入下一根烟，压力传感器20感应到从有压力到无压力再到有压力的变化，发送信号给微处理器13，微控制器13分析处理后发送控制信号给液晶显示模块3使抽吸根数显示31的数值增加1，从而完成了对抽吸根数的记录。在系统工作过程中，无线通信模块4也在不停地工作，其通过GPRS通信实现了数据的收发。加热温度、电池电量、抽吸口数、抽吸根数以及用户一天当中抽吸频率高的时间段这些数据经过微处理器13处理后通过无线通信模块4发送给数据终端7。数据终端7接收到这些数据后，不但可以实现监控用户吸烟情况和设备状态，还可以分析这些数据，形成对用户吸烟习惯的统计，并发送给无线通信模块4，无线通信模块4再发送给微处理器13，经过微处理器13分析处理，再发送给液晶显示模块3以显示，使用户对自己的吸烟习惯有直观的认识。系统还带有锁死功能，当用户一天内吸烟的数量达到一定值时，压力传感器20将该值发送给微控制器13，微控制器13分析处理后发送控制信号给继电器17，使电阻丝23电路始终处于断开状态，即使加热模块始终无法工作，从而限制了用户继续吸烟，为用户的健康考虑。

Claims (10)

1.一种智能电加热卷烟系统，其特征在于，包括外壳(6)以及位于外壳(6)内部的电源模块(1)、控制模块(2)、液晶显示模块(3)、加热模块(5)；

所述电源模块(1)为系统提供电能；所述控制模块(2)采用智能控制方法，用于智能控制加热模块的工作状态；所述液晶显示模块(3)实时显示当前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数；所述加热模块(5)内部开有一圆柱形腔体(18)，用于插入香烟，圆柱形腔体(18)内部设有电发热材料，对放入的香烟进行加热。

2.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，还包无线通信模块(4)、括数据终端(7)，所述无线通信模块(4)位于外壳(6)内部，负责与数据终端(7)通信，发送前加热温度、电池剩余电量、抽吸口数、抽吸根数数据信息；所述数据终端(7)接收数据信息并进行监控与分析，得到用户的吸烟习惯，并发送给用户。

3.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述电源模块(1)包括可充电电池(9)、充电接口(10)、充电指示灯(11)、电源开关(12)；所述充电指示灯(11)在充电过程中发出指示信号；所述电源开关(12)为按钮式开关，用于启动或关闭系统。

4.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述控制模块(2)包括电路板(14)以及集成在电路板(14)上的嵌入式微控制器(13)、电压传感器(15)、温度传感器(16)、继电器(17)；所述嵌入式微处理器(13)预先下载有智能控制算法程序。

5.如权利要求4所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述智能控制算法为分段数字PID控制算法、模糊控制算法、预测控制算法、神经网络控制算法或自适应PID控制算法中的一种或多种。

6.如权利要求4所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述智能控制算法程序具有锁死功能，当用户一天内吸烟的根数达到一定数量时，所述控制模块(2)控制加热模块(5)停止工作。

7.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述液晶显示模块(3)中的液晶显示屏使用扭曲向列型液晶显示屏，布置外壳(6)表面，所述液晶显示屏上有当前加热温度显示(29)、电池剩余电量显示(28)、抽吸口数显示(30)、抽吸根数显示(31)。

8.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述抽吸口数由抽吸传感器(22)检测获得，所述抽吸根数由压力传感器检测获得，抽吸传感器(22)和压力传感器(20)均安装在圆柱形腔体(18)的底端；所述圆柱形腔体(18)的底端还开设有进气口(21)。

9.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述加热模块(5)的电加热材料为圆形螺旋状的镍铬合金电阻丝(23)，电阻丝(23)通过继电器(17)与电池(8)直接相连，所述微控制器(13)向所述继电器(17)提供控制信号，从而控制所述电阻丝(23)电路的通断。

10.如权利要求1所述智能电加热卷烟系统，其特征在于，所述加热模块(5)外壳侧边有两个按钮(26)，分别是开始加热按钮和停止加热按钮；所述外壳(6)采外形为长方体形状或圆柱体形状，并分为两段；所述两段式外壳(6)之间采用插拔式嵌套连接，并用锁紧螺钉(8)固定。