CN114209105A - 基于集成mcu和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成控制方法，该器具包括：集成MCU和电磁驱动芯片、供电电池、电磁感应线圈、铁磁加热元件、指纹模组、摄像头模块、语音播放器、LED彩屏、无线充电线圈、蓝牙天线、WIFI天线、振动马达；其中，集成MCU和电磁驱动芯片包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控制模块、GPIO模块。本发明能优化芯片性能、降低开发难度、缩减开发周期，从而降低电磁感应加热烟具开发成本、优化器具产品小型化设计、提升消费使用体验感、保证抽吸稳定性及使用安全性。

Description

基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成 控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成控制方法，属于新型烟草制品加热烟具领域。

背景技术

电磁感应加热烟具属于电子产品，涉及主控制器、电磁发生电路、外围电路等功能器件。目前，大多数电磁感应加热烟具采用电子元器件搭建电磁发生电路，通过主控制器管脚输出控制电磁发生电路的开闭，所需器件种类多、参数一致性较差，无法精准控制、工作效能差、预热时间长、运行功率能耗高。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成控制方法，以期能通过将MCU和电磁驱动功能集成封装到一颗芯片，从而能提升芯片性能、降低开发难度、缩减开发周期，从而降低电磁感应加热烟具开发成本、优化器具产品小型化设计、提升消费使用体验感、保证抽吸稳定性及使用安全性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具的特点在于，包括：集成MCU和电磁驱动芯片、供电电池、电磁感应线圈、铁磁加热元件、指纹模组、摄像头模块、语音播放器、LED彩屏、无线充电线圈、蓝牙天线、WIFI天线、振动马达；

所述集成MCU和电磁驱动芯片作为磁粒均热器具的主控制器，并包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控制模块、GPIO模块；

所述电源管理模块包括：升/降压转换模块、无线充电控制模块、电池保护模块、电源输出模块；

所述信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

所述控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；其中，所述信号通信模块包括：蓝牙驱动模块、WIFI驱动模块；

所述电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

所述音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块；

所述升/降压转换模块的引脚连接至所述供电电池的正负极；

所述电压采集模块的引脚连接至所述供电电池的正负极；

所述电流采集模块的引脚串接至所述供电电池的正负极间；

所述温度采集模块的引脚连接至所述供电电池的表面测温区域；

所述H桥功率模块的引脚和所述电磁驱动负载采集模块的引脚分别连接至所述电磁感应线圈的两端；

所述测温控温模块的引脚连接至所述铁磁加热元件的测温引出端；

所述生物信号采集模块的引脚连接至所述指纹模组或/和摄像头模块的接线端；

所述语音播放模块的引脚连接至语音播放器的管脚；

所述LED彩屏的引脚连接至外接的LED模块的管脚；

所述无线充电控制模块的引脚连接至所述无线充电线圈；

所述蓝牙驱动模块的引脚连接至所述蓝牙天线的管脚；

所述WIFI驱动模块的引脚连接至WIFI天线管脚；

所述GPIO模块中的一个管脚配置为IO中断管脚并连接至外部按键，GPIO模块中的多个管脚配置为IO输出管脚并接入限流电阻后连接至LED灯，以实现磁粒均热器具状态指示。

本发明一种基于所述的磁粒均热器具的气溶胶生成控制方法的特点在于，包括如下步骤：

步骤1：将加热卷烟装入所述磁粒均热烟具的加热腔中，所述磁粒均热器具的主控制器检测器具上的开关机按键是否触发，且触发时间是否超过所设定的时间，若均是，则开机上电，否则，判断开机无效，并保持关机状态；

步骤2：磁粒均热器具开机上电后，所述升/降压转换模块接收所述供电电池的输入电压并转换为工作电压后提供给所述信号处理模块；

所述信号处理模块得电后发送电源控制信号给所述电源输出模块，使得所述电源输出模块启动，并输出相应的电压给驱动芯片内部各模块；

步骤3：驱动芯片内部各模块启动自检控制流程；

步骤4：驱动芯片内部的信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理并进行断电关机；

步骤5：驱动芯片内部各模块的自检流程通过后，所述信号采集模块启动信号采集功能，并利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给所述信号处理模块；

同时，所述电池保护模块对所述信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给所述信号处理模块；

步骤6：所述信号处理模块若接收到告警信号，则对信号采集模块中相应的采集模块进行异常处理，并断电关机；否则表示采集功能正常，并执行步骤7；

步骤7：烟具主控制器启动电磁驱动控制流程：

所述电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给所述信号处理模块；所述信号处理模块若接收所述接入信号，则将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得所述IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将所述IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；所述H桥功率模块根据所述输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到所述电磁感应线圈；所述电磁感应线圈中的铁磁元件切割电磁场依据电磁感应定律产生热量进行预热启动工作，开始加热所述加热卷烟；

若未检测到铁磁加热元件时，所述电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至所述信号处理模块，由所述信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得所述电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

步骤8：加热烟具预热启动后，主控制器控制马达振动，同时音视频输出模块外接的LED彩屏开始预热状态的显示，GPIO模块连接的LED灯交替显示加热烟具的工作状态；

步骤9：加热烟具的主控制器依据设定的抽吸温度控制所述电源输出模块输出相应电能以控制铁磁加热元件的温度趋近于所设定的抽吸温度；当铁磁加热元件的温度达到所设定的抽吸温度时，所述主控制器控制所述振动马达再次振动、LED灯保持常亮状态、LED彩屏显示抽吸工作状态；

步骤10：在抽吸工作状态，所述主控制器持续监测所述铁磁加热元件的温度、供电电源的电气参数，若发现异常，则发出断电关机指令，并执行关机动作，从而使得所述加热卷烟在磁粒均热烟具的加热过程中所释放的气溶胶稳定；

若检测开关机的按键触发且超过所设定的时间，则所述磁粒均热烟具断电关机；

若检测到抽吸时长达到所设定的最大时长或者抽吸口数量达到所设定的最大值，则所述磁粒均热烟具断电关机。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的集成MCU和电磁驱动的芯片系统能有利于电磁感应加热烟具及其他加热方式的加热烟具研发和生产，较大程度减少了外围器件数量，简化了硬件设计难度，有效减少了PCB的占用面积，降低了整体发热量，降低了开发成本，控温精准，预热迅速，运行功率能耗低，体验极佳。

2、本发明将电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块集成到一颗芯片上，并通过控制器协调控制各模块工作，实现了控制器—电源管理—各模块电源输入端闭环、控制器—信号采集模块—各模块信号输出端闭环、控制器—电磁驱动模块闭环、控制器—信号通信模块—音视频输出模块闭环，综合调度各模块有序执行指令完成设定程序，通过将各模块集成到一颗芯片，并将模块驱动集成到芯片内部，降低了产品开发难度、缩减了产品开发周期、同时有效降低了产品所需外围元器件数量、极大降低了整机功耗、提升了产品小型化设计效果。

3、本发明采用集成MCU和电磁驱动的芯片系统进行磁粒均热烟具设计并提出了气溶胶生成控制方法，将集成MCU和电磁驱动的芯片、供电电池、电磁感应线圈、铁磁加热元件、指纹模组、语音播放器、LED彩屏、无线充电线圈、蓝牙天线、WIFI天线、振动马达等部件搭建磁粒均热烟具整机设计方案，设计气溶胶生成控制方法，整体提升了磁粒均热烟具开发便捷性、缩短了开发周期、提升了消费使用体验感、保证了抽吸稳定性及使用安全性。

附图说明

图1为本发明提出的集成MCU和电磁驱动的芯片系统架构图。

图2为本发明提出的基于集成MCU和电磁驱动芯片系统的磁粒均热器具硬件结构电路。

具体实施方式

本实施例中，一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具，其特征在于，包括：集成MCU和电磁驱动芯片、供电电池、电磁感应线圈、铁磁加热元件、指纹模组、摄像头模块、语音播放器、LED彩屏、无线充电线圈、蓝牙天线、WIFI天线、振动马达；

其中，集成MCU和电磁驱动芯片作为磁粒均热器具的主控制器，集成了多个模块，包含可用于各模块的软件编程开发，通过引出相应引脚实现MCU全部功能及电磁驱动功能，具有硬件集成度高，器件物料少，优化一致性的特点；利用可编程软件能控制电磁波输出频率；通过MCU实现精准控温，达到预热升温迅速；功率能耗极大降低的效果，具体的说，如图1所示，该主控制器包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块；

其中，电源管理模块包括：升/降压转换模块、无线充电控制模块、充电管理模块、电池保护模块、电源输出模块；

信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；其中，信号通信模块包括：蓝牙驱动模块、WIFI驱动模块；

电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块、LCD模块；

其中，电压采集模块用于采集外部供电电源的电压信号以及最小芯片系统中各个模块的电压信号；

电流采集模块用于采集外部供电电源的电流信号以及最小芯片系统中各个模块的电流信号；

温度采集模块用于采集外部供电电源、外部加热元件的温度信号以及最小芯片系统中各个模块的温度信号；

生物信号采集模块用于采集人体生物信号；

信号处理模块对所接收到的电压信号、电流信号进行放大、滤波、归一化的处理；

信号处理模块对所接到的温度信号进行放大、模-数转换、滤波、归一化的处理；

信号处理模块对所接到的人体生物信号进行信号放大、滤波、归一化和识别处理；

GPIO模块与控制器处理模块连接，用于按照需求进行IO管脚功能的设定；芯片集成GPIO管脚，可实现芯片的输入、输出或其它特殊功能；

控制器处理模块可以是单片机、PLC、DSP、FPGA、ARM、SoC等控制器。

升/降压转换模块的引脚连接至供电电池的正负极；

电压采集模块的引脚连接至供电电池的正负极；

电流采集模块的引脚串接至供电电池的正负极间；

温度采集模块的引脚连接至供电电池的表面测温区域；

H桥功率模块的引脚和电磁驱动负载采集模块的引脚分别连接至电磁感应线圈的两端；

测温控温模块的引脚连接至铁磁加热元件的测温引出端；

生物信号采集模块的引脚连接至指纹模组或/和摄像头模块的接线端；

语音播放模块的引脚连接至语音播放器的管脚；

LED彩屏的引脚连接至外接的LED模块的管脚；

无线充电控制模块的引脚连接至无线充电线圈；

蓝牙驱动模块的引脚连接至蓝牙天线的管脚；

WIFI驱动模块的引脚连接至WIFI天线管脚；

GPIO模块中的一个管脚配置为IO中断管脚并连接至外部按键，GPIO模块中的多个管脚配置为IO输出管脚并接入限流电阻后连接至LED灯，以实现磁粒均热器具状态指示。

本实施例中，一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具的气溶胶生成控制方法，是通过对控制器的软件编程实现磁粒均热器具适配加热卷烟生成气溶胶的控制方法。具体的说，该气溶胶生成控制方法如下：

步骤1：将加热卷烟装入磁粒均热烟具的加热腔中，磁粒均热器具的主控制器检测器具上的开关机按键是否触发，且触发时间是否超过所设定的时间，若均是，则开机上电，否则，判断开机无效，并保持关机状态；

芯片内部控制过程1：磁粒均热器具开机上电后，升/降压转换模块接收供电电池的输入电压并转换为工作电压后提供给信号处理模块；升/降压转换器可实现宽电压范围的升/降压转换，可实现输入电压1.5V～4.2V，升压到3.3V～15V输出电压，输出电流为1A～5A；

信号处理模块得电后发送电源控制信号给电源输出模块，使得电源输出模块启动，并输出相应的电压给驱动芯片内部各模块；

芯片内部控制过程2：驱动芯片内部各模块启动自检控制流程；

芯片内部控制过程3：驱动芯片内部的信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理并进行断电关机；

芯片内部控制过程4：驱动芯片内部各模块的自检流程通过后，信号采集模块启动信号采集功能，并利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给信号处理模块；

同时，电池保护模块对信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给信号处理模块；锂电池保护控制包括过压保护、过流保护、短路保护、低压保护、过温保护等功能；

芯片内部控制过程5：信号处理模块若接收到告警信号，则对信号采集模块中相应的采集模块进行异常处理，并断电关机；否则表示采集功能正常，并执行芯片内部控制过程6；

芯片内部控制过程6：烟具主控制器启动电磁驱动控制流程；

电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给信号处理模块；信号处理模块若接收接入信号，则将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；芯片内部集成IGBT驱动功能，通过对芯片引脚使能实现IGBT驱动；

H桥功率模块根据输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到电磁感应线圈；芯片内部集成H桥功率输出功能，可实现全桥输出或半桥输出，通过针对芯片内部寄存器进行相应配置实现全桥输出或半桥输出功能，H桥功率输出模块的输入端连接至IGBT驱动的输出端，H桥功率输出端外接电感应线圈，产生交变电磁场，电磁波频率范围100kHz～2.4GHz。

电磁感应线圈中的铁磁元件切割电磁场依据电磁感应定律产生热量进行预热启动工作，开始加热加热卷烟；

若未检测到铁磁加热元件时，电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至信号处理模块，由信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

步骤2：加热烟具预热启动后，主控制器控制马达振动，同时音视频输出模块外接的LED彩屏开始预热状态的显示，GPIO模块连接的LED灯交替显示加热烟具的工作状态；

步骤3：加热烟具的主控制器依据设定的抽吸温度控制电源输出模块输出相应电能以控制铁磁加热元件的温度趋近于所设定的抽吸温度；当铁磁加热元件的温度达到所设定的抽吸温度时，主控制器控制振动马达再次振动、LED灯保持常亮状态、LED彩屏显示抽吸工作状态；

步骤4：在抽吸工作状态，主控制器持续监测铁磁加热元件的温度、供电电源的电气参数，若发现异常，则发出断电关机指令，并执行关机动作，从而使得加热卷烟在磁粒均热烟具的加热过程中所释放的气溶胶稳定；

若检测开关机的按键触发且超过所设定的时间，则磁粒均热烟具断电关机；

若检测到抽吸时长达到所设定的最大时长或者抽吸口数量达到所设定的最大值，则磁粒均热烟具断电关机。

综上所述，本实施例中的基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具及气溶胶生成控制方法的优势在于：硬件集成度高，外围器件物料少；电磁驱动通过芯片可编程软件控制，运行工作效率高，可实现100kHz+的电磁波输出；MCU可实现精准控温，控温精度≤±2℃；预热升温迅速，可实现15s以下快速预热；芯片能耗低，最大功耗为10W以下，恒定工作状态低于5W；气溶胶生成控制过程稳定、烟气释放充足、烟气温度适宜、感官评吸质量较佳。

Claims (2)

1.一种基于集成MCU和电磁驱动芯片的磁粒均热器具，其特征在于，包括：集成MCU和电磁驱动芯片、供电电池、电磁感应线圈、铁磁加热元件、指纹模组、摄像头模块、语音播放器、LED彩屏、无线充电线圈、蓝牙天线、WIFI天线、振动马达；

所述集成MCU和电磁驱动芯片作为磁粒均热器具的主控制器，并包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控制模块、GPIO模块；

所述电源管理模块包括：升/降压转换模块、无线充电控制模块、电池保护模块、电源输出模块；

所述信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

所述控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；其中，所述信号通信模块包括：蓝牙驱动模块、WIFI驱动模块；

所述电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

所述音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块；

所述升/降压转换模块的引脚连接至所述供电电池的正负极；

所述电压采集模块的引脚连接至所述供电电池的正负极；

所述电流采集模块的引脚串接至所述供电电池的正负极间；

所述温度采集模块的引脚连接至所述供电电池的表面测温区域；

所述H桥功率模块的引脚和所述电磁驱动负载采集模块的引脚分别连接至所述电磁感应线圈的两端；

所述测温控温模块的引脚连接至所述铁磁加热元件的测温引出端；

所述生物信号采集模块的引脚连接至所述指纹模组或/和摄像头模块的接线端；

所述语音播放模块的引脚连接至语音播放器的管脚；

所述LED彩屏的引脚连接至外接的LED模块的管脚；

所述无线充电控制模块的引脚连接至所述无线充电线圈；

所述蓝牙驱动模块的引脚连接至所述蓝牙天线的管脚；

所述WIFI驱动模块的引脚连接至WIFI天线管脚；

所述GPIO模块中的一个管脚配置为IO中断管脚并连接至外部按键，GPIO模块中的多个管脚配置为IO输出管脚并接入限流电阻后连接至LED灯，以实现磁粒均热器具状态指示。

2.一种基于权利要求1所述的磁粒均热器具的气溶胶生成控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将加热卷烟装入所述磁粒均热烟具的加热腔中，所述磁粒均热器具的主控制器检测器具上的开关机按键是否触发，且触发时间是否超过所设定的时间，若均是，则开机上电，否则，判断开机无效，并保持关机状态；

步骤2：磁粒均热器具开机上电后，所述升/降压转换模块接收所述供电电池的输入电压并转换为工作电压后提供给所述信号处理模块；

所述信号处理模块得电后发送电源控制信号给所述电源输出模块，使得所述电源输出模块启动，并输出相应的电压给驱动芯片内部各模块；

步骤3：驱动芯片内部各模块启动自检控制流程；

步骤4：驱动芯片内部的信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理并进行断电关机；

步骤5：驱动芯片内部各模块的自检流程通过后，所述信号采集模块启动信号采集功能，并利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给所述信号处理模块；

同时，所述电池保护模块对所述信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给所述信号处理模块；

步骤6：所述信号处理模块若接收到告警信号，则对信号采集模块中相应的采集模块进行异常处理，并断电关机；否则表示采集功能正常，并执行步骤7；

步骤7：烟具主控制器启动电磁驱动控制流程：

所述电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给所述信号处理模块；所述信号处理模块若接收所述接入信号，则将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得所述IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将所述IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；所述H桥功率模块根据所述输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到所述电磁感应线圈；所述电磁感应线圈中的铁磁元件切割电磁场依据电磁感应定律产生热量进行预热启动工作，开始加热所述加热卷烟；

若未检测到铁磁加热元件时，所述电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至所述信号处理模块，由所述信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得所述电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

步骤8：加热烟具预热启动后，主控制器控制马达振动，同时音视频输出模块外接的LED彩屏开始预热状态的显示，GPIO模块连接的LED灯交替显示加热烟具的工作状态；

步骤9：加热烟具的主控制器依据设定的抽吸温度控制所述电源输出模块输出相应电能以控制铁磁加热元件的温度趋近于所设定的抽吸温度；当铁磁加热元件的温度达到所设定的抽吸温度时，所述主控制器控制所述振动马达再次振动、LED灯保持常亮状态、LED彩屏显示抽吸工作状态；

步骤10：在抽吸工作状态，所述主控制器持续监测所述铁磁加热元件的温度、供电电源的电气参数，若发现异常，则发出断电关机指令，并执行关机动作，从而使得所述加热卷烟在磁粒均热烟具的加热过程中所释放的气溶胶稳定；

若检测开关机的按键触发且超过所设定的时间，则所述磁粒均热烟具断电关机；

若检测到抽吸时长达到所设定的最大时长或者抽吸口数量达到所设定的最大值，则所述磁粒均热烟具断电关机。

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