基于微控制器实现的负载恒功率输出系统及电子烟

技术领域

本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统及电子烟。

背景技术

随着社会的高速发展，各种各样的消费类电子产品应运而生，如电动牙刷、剃须刀、电子烟等消费类产品。在众多的消费类电子产品中，很多产品都需要恒功率输出技术，即设备在输出电压和电流发生变化时，输出的功率保持不变。

尤其在电子烟设备中，电子烟设备具有发热丝，发热丝的阻值不是一成不变的，会受到工作环境、自身材质的影响，例如，电子烟经过磕碰、弯折等情况，发热丝与烟油、电子烟金属外壳的导通，其阻值将会改变，且在发热丝的通电电压不变时，其工作功率将不会稳定，即发热温度不稳定，这将会导致产品的体验差。若能维持发热丝的工作功率恒定，会大大提升产品的体验感。

现有的简易加热类电子设备实现恒功率都是采用恒压或恒流的技术，如通过电压调节器使得发热丝上的电压始终恒定，这样起功率始终会有所变动，在功率不同时，其发热丝的工作会不稳定。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统及电子烟，解决了现有技术中如何低成本地实现负载恒功率输出的问题，采用以下技术方案。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

基于本发明的一方面，提出一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统，所述系统包括微控制模块和分别与所述微控制模块连接的咪头模块、发热驱动模块、供电模块，其中：

所述咪头模块，用于在气流经过时而发送触发信号至所述微控制模块；

所述供电模块包括电池，其用于为所述微控制模块和所述发热驱动模块供电；

所述发热驱动模块包括发热丝、第一开关单元、第二开关单元、分压电阻，所述第一开关单元和所述第二开关单元分别连接于所述电池与所述发热丝之间，以及分别连接于所述微控制模块，所述第二开关单元至所述发热丝之间设置所述分压电阻，以及所述分压电阻至所述发热丝之间具有连接到所述微控制模块的采样点；

所述微控制模块，用于在接收到所述触发信号时，使得所述第一开关单元导通后关断和所述第二开关单元导通后关断，以及在导通时分别在所述采样点得到第一采样电压值和第二采样电压值，并基于所述第一采样电压值得到所述电池的电池电压，和基于所述电池电压及所述第二采样电压得到所述发热丝的发热阻值，基于所述发热阻值和所述电池电压，通过控制所述第一开关单元的导通占空比而使得所述发热丝的工作功率的趋向于预定值。

进一步的，所述第一开关单元包括第一MOS管，所述第二开关单元包括第二MOS管，所述微控制模块包括MCU芯片，所述第一MOS管的栅极连接于所述MCU芯片的第一PWM信号输出引脚，其源极连接于所述电池，其漏极连接于所述发热丝的一端，所述发热丝的另一端接地，所述第二MOS管的栅极连接所述MCU芯片的第二PWM信号输出引脚，其源极连接于所述电池，其漏极连接于所述分压电阻的一端，所述分压电阻的另一端连接于所述第一MOS管的漏极与所述发热丝之间。

进一步的，所述采样点设置于所述分压电阻至所述发热丝之间。

进一步的，所述采样点至所述MCU芯片之间设置有限流电阻。

进一步的，所述供电模块包括相连接的充电芯片和USB插座，所述充电芯片用于在所述USB插座接通电源后为所述电池充电。

进一步的，所述系统还包括LED模块，所述LED模块包括多组LED灯，不同组的所述LED灯分别连接于所述微控制模块。

进一步的，所述微控制模块具体用于：

基于所述第一采样电压得到所述发热丝的当前的第一电压；

基于预设的所述第一开关单元的阻值和所述发热丝的阻值范围的比值，得到所述电池电压；

基于所述第二采样电压得到所述发热丝的当前的第二电压；

基于预设的所述第二开关单元的阻值、所述分压电阻的阻值、所述第二电压和所述电池电压，得到所述发热阻值；

基于所述发热阻值和所述预定值得到所述第一开关单元的维持电压，所述维持电压与所述电池电压的比值为控制所述第一开关单元工作的所述导通占空比。

进一步的，在得到所述发热阻值时，若所述发热阻值低于阈值，所述微控制模块使得所述第一开关单元和所述第二开关单元关断。

基于本发明的另一方面，提出一种电子烟，所述电子烟包括如上述的负载恒功率输出系统。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

基于第一开关单元、第二开关单元、分压电压和微控制模块，对第一开关单元和第二开关单元在分别导通时的采样数据进行估算得到发热丝的阻值，并根据发热丝的阻值而估算得到维持发热丝恒定功率所需的导通占空比，此过程无需依赖于复杂的硬件，通过现有的大部分电子设备都具有的开关单元和MCU芯片来实现，而无需增加高额成本，且当本发明应用在电子烟时，可以大大提高产品的体验感。

附图说明

图1为本说明书实施例中的一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统的结构框图；

图2为本发明实施例中发热驱动模块的电路原理图；

图3为本发明实施例中微控制模块的电路原理图；

图4为本发明实施例中气流传感器的电路原理图；

图5为本发明实施例中供电模块的电路原理图；

图6为本发明实施例中LED模块的电路原理图；

图7为本发明实施例中电子烟的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本发明的示意性图解。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

如图1-3所示，本说明书实施例提供一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统，一种基于微控制器实现的负载恒功率输出系统，系统包括微控制模块1和分别与微控制模块1连接的咪头模块2、发热驱动模块3、供电模块4，其中：咪头模块2，用于在气流经过时而发送触发信号至微控制模块1；供电模块4包括电池，其用于为微控制模块1和发热驱动模块3供电；发热驱动模块3包括发热丝L1、第一开关单元、第二开关单元、分压电阻R8，第一开关单元和第二开关单元分别连接于电池与发热丝L1之间，以及分别连接于微控制模块1，第二开关单元至发热丝L1之间设置分压电阻R8，以及分压电阻R8至发热丝L1之间具有连接到微控制模块1的采样点；微控制模块1，用于在接收到触发信号时，使得第一开关单元导通后关断和第二开关单元导通后关断，以及在导通时分别在采样点得到第一采样电压值和第二采样电压值，并基于第一采样电压值得到电池的电池电压，和基于电池电压及第二采样电压得到发热丝L1的发热阻值，基于发热阻值和电池电压，通过控制第一开关单元的导通占空比而使得发热丝L1的工作功率的趋向于预定值。

具体的，图2和图3提供一种微控制模块的电路图和发热驱动模块的示范性的电路图第一开关单元包括第一MOS管Q1，第二开关单元包括第二MOS管Q2，微控制模块包括MCU芯片U2，第一MOS管Q1的栅极连接于MCU芯片U2的第一PWM信号输出引脚PB3_SDD，其源极连接于电池，其漏极连接于发热丝L1的一端，发热丝L1的另一端接地，第二MOS管Q2的栅极连接MCU芯片U2的第二PWM信号输出引脚PB2_AIN7_PWM2，其源极连接于电池，其漏极连接于分压电阻R8的一端，分压电阻R8的另一端连接于第一MOS管Q1的漏极与发热丝L1之间。具体的，采样点是设置于分压电阻R8至发热丝L1之间，其连接至MCU芯片的ADC端口，以及采样点至MCU芯片U2之间设置有限流电阻R5。

为了实现电子烟的电路功能，图4示出了一种气流传感器U3，气流传感器U3可以感应电子烟中的吸气动作，在使用者吸气时，代表着要使用电子烟，气流传感器U3便可以反馈触发信号给MCU芯片U2，MCU芯片U2便可以开始工作。具体的，气流传感器U3为3针咪头，,其OUT脚位与MCU芯片U2的某个IO口连接，如PB4，将其设置成输入模式。MCU芯片U2通过读取PB4的脚位状态，执行相应的逻辑指令，从而有效地达到识别是否进入工作模式。

如图5所示，供电模块4包括相连接的充电芯片U1和USB插座J1，充电芯片U1用于在USB插座J1接通电源后为电池充电。具体的，USB插座为TYPE-C插座，其通过TYPE-C数据线与外部电源连接。充电芯片U1的CHRG脚位与MCU芯片U2的某个IO口连接，如PB5，将其设置为输入模式。在充电中电量还没充满或不充电时，充电芯片U1的CHRG引脚为低电平，充满电时为高电平。MCU芯片U2通过读取PB5的脚位状态，执行相应的逻辑指令，从而有效地达到识别充电效果。

如图6所示，系统还包括LED模块5，LED模块5包括多组LED灯，不同组的LED灯分别连接于微控制模块1，不同组的LED灯的发光颜色不相同，同一组中的LED光的发光颜色可以是相同的，也可以是不相同的。每一组LED灯分别与MCU芯片U2的不同IO口连接，将MCU芯片U2与LED灯连接的IO口都设置成输出模式，根据相应的逻辑指令即可实现LED灯的不同显示效果，该显示效果便可以用于展示MCU芯片2、发热丝L1、电池的不同的工作状态。

另外，在图2-图6中，电池以字母VBAT字母表示。

基于上述的基于微控制器实现的负载恒功率输出系统中对微控制模块1的用法限定，以具体地补充MCU芯片的工作方法：

基于第一采样电压得到发热丝的当前的第一电压；

基于预设的第一开关单元的阻值和发热丝的阻值范围的比值，得到电池电压；

基于第二采样电压得到发热丝的当前的第二电压；

基于预设的第二开关单元的阻值、分压电阻的阻值、第二电压和电池电压，得到发热阻值；

基于发热阻值和预定值得到第一开关单元的维持电压，维持电压与电池电压的比值为控制第一开关单元工作的导通占空比。

其中，第一采样电压值是在第一开关单元导通且第二开关单元关断时的采样值，第二采样电压值为在第一开关单元关断且第二开关单元导通时的采样值；电池电压是指电池当前的电压，电池在不同的用电阶段、不同的电量时刻、不同的衰退率时，其输出电压都有所不同；发热阻值字面上是指发热丝的阻值，实际上还包括环境阻值，环境阻值会因为各种环境情况而改变，有烟油粘在发热丝上改变了阻值、电子烟的金属壳体破损与发热丝短接等等情况；导通占空比是指驱动第一开关单元即第一MOS管在单位时间内导通的PWM信号；预定值是指设定的恒定功率数值。

综上地，基于图2详细解释上述所有步骤的结合：

用户开始时，MCU芯片2接收到气流传感器的触发信息，然后马上开启第一PWM信号的输出引脚PB3_SDD，在输出引脚PB3_SDD控制的低电平状态，第一MOS管Q1导通，此时MCU芯片2的连接的ADC端口读取到发热丝L1的电压值，即第一采样电压值，由于是处于初启动状态，此时发热丝L1的阻值可以估值为一个预定范围，如1.5Ω到3Ω，第一MOS管Q1导通的内阻一般是50mΩ左右，电压比为2000：50＝40：1，因此第一MOS管的内阻造成的分压可以忽略，可以近似认为ADC端口的电压为电池电压，此时可以获取并保存电池电压ADC_BAT。

获得电池电压ADC_BAT后，关闭输出引脚PB3_SDD，然后开启PWM2端，即第二PWM信号输出引脚PB2_AIN7_PWM2，使得第二MOS管Q2导通，此时分压电阻R8和发热丝L1以及第二MOS管Q2内阻对电池电压进行分压ADC_BAT，第二MOS管Q2的阻值大约为50mΩ左右，分压电阻R8为较大的恒定值，如10Ω，发热丝的电阻为R_hot，单位为Ω，此时分压比大约为50：10000：1000R_hot＝1：200：20R_hot，因为第一步已经获取到电池电压ADC_BAT，此时可以通过ADC端读取到电热丝的分压值ADC_P，即第二采样电压值，可以计算出来通路电流I_P＝(ADC_BAT-ADC_P)/(0.05+10),发热丝L1的发热阻值为R_hot＝ADC_P/I_P＝ADC_P/((ADC_BAT-ADC_P)/(0.05+10))。

通过当前的电池电压ADC_BAT和发热丝的电阻值R_hot，可以计算出如果实现恒定功率的占空比，如恒定功率为9W，比如此时电池电压ADC_BAT为4V，发热丝LT的阻值R_hot为1.5Ω，第一MOS管Q1内阻50mΩ,可以计算出需要的第一MOS管Q1端的直流电压为V_LINE为9W*1.5Ω的平方根，即3.67V,3.67V/4V＝91％,所以这时候可以得到PWM1端口输出91％导通占空比的PWM波形。

另外，在得到发热阻值R_hot后，基于该数值可以获得更多的功能，如对发热阻值R_hot进行判断，若发热阻值低于阈值或不在范围内，MCU芯片2需要控制第一MOS管Q1和第二MOS管Q2关断。如发热阻值R_hot低于安全值，发热丝可能出现短路情况，在短路下，电池输出大电流，会对使用者造成伤害，电池的高强度输出也会使得电池有所损耗，从而减少了寿命。因此，在得到发热阻值R_hot后，可以进行安全判断。

基于同样的思路，如图7所示，本公开的示例性实施方式还提供了一种电子烟700，该电子可以包括上述中任何的负载恒功率输出系统的内容，其他内容可以包括如现有技术的任意电子烟所具有的结构，如烟油、储油仓、烟嘴、电子仓等等。

上述电子烟中各模块/单元的具体细节在上述系统中已经详细说明，未披露的细节内容可以参见系统部分的实施方式内容，因而不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施方式。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。