基于微控制器CKS32F030 的智能電動(dòng)牙刷設(shè)計(jì)*

盧超波，沈 偉，王瑞琦，趙志浩

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始重視牙齒保健和牙齦護(hù)理，而電動(dòng)牙刷作為一種新的潔牙用品，迅速打開(kāi)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)[1]。目前，國(guó)內(nèi)主流的電動(dòng)牙刷主要分為兩類。第一類是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷，主要是通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)刷頭沿順時(shí)針-逆時(shí)針?lè)较蚪惶嫘D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)8000 次/min。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷清潔效果優(yōu)異，但相對(duì)于手動(dòng)刷牙和其他類型的電動(dòng)牙刷，其對(duì)牙齒的損耗最大[2]。第二類是聲波振動(dòng)式電動(dòng)牙刷，原理是通過(guò)聲波振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刷頭，使刷頭高速往復(fù)振動(dòng)，振動(dòng)頻次可達(dá)31000 次/min。與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷相比，聲波振動(dòng)式電動(dòng)牙刷清潔牙齒的能力略低，價(jià)格略高，但可以大大降低牙齒的損耗[3]。

本文設(shè)計(jì)了一款智能聲波振動(dòng)式電動(dòng)牙刷，利用微控制器驅(qū)動(dòng)聲波振動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行內(nèi)部計(jì)時(shí)，以定時(shí)提醒用戶更換刷牙區(qū)域并定時(shí)關(guān)機(jī)；利用藍(lán)牙模塊傳輸刷牙數(shù)據(jù)，可以幫助用戶了解自己的刷牙情況并養(yǎng)成良好的刷牙習(xí)慣。

2 聲波振動(dòng)電機(jī)控制原理

聲波振動(dòng)電機(jī)工作示意圖如圖1 所示，轉(zhuǎn)子為嵌設(shè)在轉(zhuǎn)子芯片內(nèi)的2 個(gè)磁體，定子為串聯(lián)且繞線方向相反的定子線圈。當(dāng)定子線圈通電時(shí)，由于兩個(gè)定子線圈繞線方向相反，定子線圈也產(chǎn)生了相反的磁場(chǎng)，而2 個(gè)磁體的磁極安裝方向相同使得轉(zhuǎn)子芯片的磁極與定子磁極之間異極相吸同極相斥，從而使轉(zhuǎn)子芯片產(chǎn)生扭力并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)給定子線圈通入正負(fù)方波電流后，電流的變化會(huì)引起定子線圈磁極的改變，從而扭力的方向也將發(fā)生變化，此時(shí)，轉(zhuǎn)子芯片將帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行往復(fù)式小幅轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過(guò)機(jī)械傳導(dǎo)使牙刷頭產(chǎn)生高頻振動(dòng)的效果[4]。

圖1 聲波振動(dòng)電機(jī)工作示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

智能電動(dòng)牙刷的主控芯片采用中科芯集成電路有限公司研制的基于ARM Cortex-M0 內(nèi)核的CKS32F030K6U6 單片機(jī)。該芯片工作頻率為48 MHz，擁有32 個(gè)引腳，外設(shè)資源豐富，有1 個(gè)12 位ADC，1 個(gè)USART，1 個(gè)I2C 接口，4 個(gè)通用定時(shí)器和1 個(gè)高級(jí)PWM 控制定時(shí)器，可以滿足智能電動(dòng)牙刷的設(shè)計(jì)需求。硬件結(jié)構(gòu)的總體框圖如圖2 所示，主要由主控芯片、藍(lán)牙模塊、時(shí)鐘模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、開(kāi)機(jī)喚醒電路和充電控制電路組成。電機(jī)采用的是3518 聲波磁懸浮電機(jī)，其額定電壓為3.7 V，額定電流為（350±35）mA，輸出扭矩大于0.022 N·m。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

3.2 開(kāi)機(jī)喚醒電路

開(kāi)機(jī)喚醒電路如圖3 所示，當(dāng)按鍵K1 按下時(shí)，POWER_ON 引腳被拉高，電源芯片U4 使能，開(kāi)始給單片機(jī)供電。由于POWER_ON 引腳與單片機(jī)的一個(gè)IO 口相連，當(dāng)單片機(jī)上電后，單片機(jī)第一時(shí)間拉高POWER_ON 引腳以保證其供電穩(wěn)定。當(dāng)再次按下K1時(shí)，單片機(jī)將POWER_ON 引腳拉低，使電源斷開(kāi)，單片機(jī)斷電，此時(shí)，整個(gè)電動(dòng)牙刷控制板的功耗不超過(guò)10 μA。

圖3 開(kāi)機(jī)喚醒電路

3.3 無(wú)線充電控制電路

智能電動(dòng)牙刷充電采用的是無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)線充電底座將電能轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射給接收端，接收端的充電線圈利用變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)給電池充電的目的[5]。接收端的充電電壓為4.2 V，充電電流為500 mA，充電效率為70%～80%。充電控制電路如圖4 所示，主要由電磁感應(yīng)次級(jí)線圈、整流二極管、充電管理芯片U3 和鋰電池充電保護(hù)芯片U2 等組成。當(dāng)充電線圈產(chǎn)生電流時(shí)，通過(guò)整流二極管，把POWER_ON 置為高電平，從而使能電源芯片U4。此時(shí)，單片機(jī)得到供電，進(jìn)入充電模式并通過(guò)充電管理芯片U3 提供的信號(hào)來(lái)判斷充電是否完成。綜上所述，按鍵按下和充電狀態(tài)均會(huì)使MCU 上電，因此軟件處理的時(shí)候需要先判斷喚醒源后再進(jìn)行相應(yīng)的工作。

圖4 無(wú)線充電控制電路

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置PWM 定時(shí)器輸出兩路PWM 信號(hào)，經(jīng)由單通道直流驅(qū)動(dòng)器芯片U7 后，加在聲波振動(dòng)電機(jī)的兩端，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的振動(dòng)頻率和力度。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 智能電動(dòng)牙刷軟件流程

智能電動(dòng)牙刷的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。當(dāng)MCU 上電以后，第一時(shí)間檢查按鍵是否按下。若按鍵沒(méi)有按下，則喚醒源為充電信號(hào)，MCU 直接進(jìn)入充電模式。若按鍵按下，MCU 將置高POWER_ON 引腳以保證為其供電，接著讀取上一次保存的牙刷工作模式，然后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，同時(shí)等待按鍵信號(hào)或者充電信號(hào)。當(dāng)按鍵長(zhǎng)按超過(guò)1 s 時(shí)，系統(tǒng)切換工作模式。當(dāng)按鍵短按時(shí)，MCU 存儲(chǔ)當(dāng)前工作模式，然后將刷牙數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊上傳至上位機(jī)，接著將POWER_ON 引腳置低，使整個(gè)系統(tǒng)斷電。當(dāng)有充電信號(hào)時(shí)，MCU 停止驅(qū)動(dòng)聲波振動(dòng)電機(jī)并進(jìn)入充電模式，充電信號(hào)結(jié)束后，MCU 立即掉電關(guān)機(jī)。

圖6 電動(dòng)牙刷軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 聲波振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

聲波振動(dòng)電機(jī)控制波形如圖7 所示，A、B 為聲波振動(dòng)電機(jī)的兩個(gè)輸入端。當(dāng)A 輸入高電平、B 輸入低電平時(shí)，電流正向流入定子線圈，引起轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)A 輸入低電平、B 輸入高電平時(shí)，電流反向流入定子線圈，引起轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖1）。因此，在聲波振動(dòng)電機(jī)的兩個(gè)輸入端輸入占空比和頻率相同、相位差180°的PWM 后，電機(jī)便可往復(fù)式轉(zhuǎn)動(dòng)。聲波振動(dòng)電機(jī)的工作頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 的周期來(lái)改變，周期越小，工作頻率越高；其振動(dòng)力度可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 的占空比來(lái)改變，占空比越高（但不可超過(guò)50%），振動(dòng)力度越大。智能電動(dòng)牙刷采用的芯片CKS32F030K6U6 含有一個(gè)專門的高級(jí)PWM 控制定時(shí)器，該定時(shí)器可直接輸出兩路周期相同且互補(bǔ)的PWM，并可分別設(shè)置其占空比，可以十分簡(jiǎn)單且高效地驅(qū)動(dòng)聲波振動(dòng)電機(jī)。

圖7 聲波振動(dòng)電機(jī)控制波形

5 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

聲波振動(dòng)電機(jī)的兩相電壓波形如圖8 所示，可以看出兩相電壓相位差180°，PWM 占空比為18%，周期為266 Hz，振動(dòng)頻率高達(dá)31920 次/min。智能電動(dòng)牙刷關(guān)機(jī)前會(huì)上報(bào)刷牙數(shù)據(jù)，配有測(cè)試APP 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試APP 主界面顯示刷牙數(shù)據(jù)如刷牙時(shí)間、刷牙天數(shù)等，可讓用戶了解自身的刷牙情況。

圖8 兩相電壓波形

6 結(jié)論

本文基于單片機(jī)CKS32F030K6U6 設(shè)計(jì)了一款智能電動(dòng)牙刷，其功耗低，功能豐富。該智能電動(dòng)牙刷內(nèi)嵌時(shí)鐘模塊和藍(lán)牙模塊，可將刷牙數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送至APP，方便用戶掌握自己的刷牙情況。