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軟硬件全開(kāi)源，航芯方案分享 | 智能電動(dòng)牙刷方案
當(dāng)代口腔問(wèn)題頻發(fā)，讓人們?cè)絹?lái)越重視口腔衛(wèi)生。傳統(tǒng)的刷牙方式，由于個(gè)人習(xí)慣和刷牙方式的不同，會(huì)不同程度地導(dǎo)致牙齦受損，牙菌斑去除不徹底等問(wèn)題。而電動(dòng)牙刷設(shè)備，基于其相對(duì)程序化的刷牙方式，可根據(jù)個(gè)人口腔特性支持自主選擇，調(diào)節(jié)刷牙力度。而且在刷牙過(guò)程中，不需要過(guò)多的手部動(dòng)作，僅需要調(diào)節(jié)刷牙的角度，更多的清潔工作交付由牙刷本身的特性來(lái)完成。方便人們的同時(shí)也更能有效的減少口腔問(wèn)題。
電動(dòng)牙刷類(lèi)型
現(xiàn)在市面上電動(dòng)牙刷品類(lèi)繁多，從刷頭的方式可將其分為兩大類(lèi)型：旋轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式（也叫聲波式）。參考https://zhuanlan.zhihu.com/p/42097327
圖1. 電動(dòng)牙刷工作方式對(duì)比圖
旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)牙刷是由電機(jī)帶動(dòng)刷頭旋轉(zhuǎn)，牙面清潔度高，但牙縫清潔能力薄弱且相較于振動(dòng)式，更易損傷牙釉質(zhì)。而振動(dòng)式，由電機(jī)帶動(dòng)刷頭進(jìn)行上下的高頻振動(dòng)，高頻擺動(dòng)的刷頭能高效完成洗刷牙齒的動(dòng)作，可以讓牙膏與水的混合物產(chǎn)生大量微小的氣泡，氣泡爆裂時(shí)產(chǎn)生的壓力可以更深入牙縫達(dá)到深度的清潔效果。
振動(dòng)式的實(shí)現(xiàn)有兩種方式，一種由偏心振動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，多用于中低檔的電動(dòng)牙刷方案。該種方式的電動(dòng)牙刷振動(dòng)感強(qiáng)，振動(dòng)無(wú)序。另一種則是采用線性電機(jī)，業(yè)內(nèi)也稱(chēng)之為磁懸浮電機(jī)。
圖2. 磁懸浮電機(jī)示意圖
磁懸浮電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其在工作運(yùn)行噪聲小，機(jī)身振感低，振動(dòng)能量集中，清潔效果佳。因此，本文采用ACM32F030作為主控芯片，基于磁懸浮電機(jī)提出一款電動(dòng)牙刷的設(shè)計(jì)方案。
設(shè)計(jì)方案
本文描述的電動(dòng)牙刷方案，是基于上海航芯ACM32F030系列的MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體的方案框圖如下所示：
圖3. 基于ACM32F030/070電動(dòng)牙刷設(shè)計(jì)方案框圖
ACM32F0X0 系列是一款支持多種低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比較器、運(yùn)放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內(nèi)置高性能定時(shí)器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設(shè)，內(nèi)建AES、TRNG等信息安全模塊，支持多種低功耗模式，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn)。本產(chǎn)品采用ARM Cortex-M0系列內(nèi)核，最高工作頻率64MHz。足以滿(mǎn)足一般的電動(dòng)牙刷方案的需求。
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備注：ACM32F030和070軟硬件兼容
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軟硬件下載鏈接如下：
https://gitee.com/acm32-mcu/electric-toothbrush
https://github.com/ACM32-MCU/electric-toothbrush
? 人機(jī)交互系統(tǒng)
本文論述的設(shè)計(jì)方案中的人機(jī)交互功能是采用簡(jiǎn)單的LED和按鍵的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。共有1個(gè)按鍵和6個(gè)LED。按鍵需實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)以及模式切換功能。設(shè)備會(huì)根據(jù)按鍵按下時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)判定當(dāng)前的動(dòng)作是需要切換模式或是開(kāi)關(guān)機(jī)操作。6個(gè)LED中有3個(gè)用于工作模式指示，最大可支持7種工作模式（23-1），本設(shè)計(jì)方案中僅提供了三種模式。另外3個(gè)LED用于系統(tǒng)狀態(tài)指示，包括正常，欠壓，充電，充滿(mǎn)4種電壓狀態(tài)。
長(zhǎng)短按識(shí)別程序：
void keyPressHandler(void)
{
key.isPressed = Key_GetPressValue();
switch(key.pressState)
{
case 0:
if(key.isPressed)
{
key.pressTime = 0;
key.pressState = 1;
}
break;
case 1: /* eliminate jitter */
if(key.isPressed)
{
if(++key.pressTime > 10)
key.pressState = 2;
}
else
key.pressState = 0;
break;
case 2: /* whether long press is existed */
if(key.isPressed)
{
if(++key.pressTime > LONG_PRESS_TIME)
key.pressState = 3;
}
else
{
if(key.shortPressHandler != NULL)
key.shortPressHandler();
else
DEBUG_KEY("have no short press handler!!\r\n");
key.pressState = 0;
}
break;
case 3:
if(key.longPressHandler != NULL)
key.longPressHandler();
else
DEBUG_KEY("have no long press handler!!\r\n");
key.pressState = 4;
break;
case 4: /* wait for releasing key */
if(key.isPressed == 0)
key.pressState = 0;
break;
}
}工作指示程序：
void appMotorModeLedControl(void)
{
static uint8_t state = 0xFF;
if(sys.status == SYSTEM_RUNMODE)
{
if(state != sys.motorStatus)
{
state = sys.motorStatus;
if(sys.motorStatus == 0)
{
ModeLed_Select(MODE_LED_1, MODE_LED_ON);
}
else if(sys.motorStatus == 1)
{
ModeLed_Select(MODE_LED_2, MODE_LED_ON);
}
else if(sys.motorStatus == 2)
{
ModeLed_Select(MODE_LED_3, MODE_LED_ON);
}
}
}
else
{
state = 0xFF;
ModeLed_Select(MODE_LED_UNKNOWN, MODE_LED_OFF);
}
}系統(tǒng)指示程序：
void appSysLedController(void)
{
static uint8_t led_state = 0xFF;
if(led_state != led.state)
{
led_state = led.state;
if(led.state == LED_OFF)
{
led.duty = 0;
PowerLed_Select(PWR_LED_UNKNOWN, PWR_LED_OFF);
PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
}
else if(led.state == LED_TWINKLE) // low power warning
{
led.duty = 0;
PowerLed_Select(PWR_LED_R, PWR_LED_ON);
PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
}
else if(led.state == LED_ON)
{
led.duty = 0;
PowerLed_Select(PWR_LED_R, PWR_LED_OFF);
PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
}
else if(led.state == LED_BREATHE)
{
if(led.duty == PWM_DUTY_MAX)
led.dir = LED_FADE;
else
led.dir = LED_BRIGHTER;
}
else
led.state = LED_OFF;
}
else{
if(led.state == LED_BREATHE)
{
PowerLed_Select(PWR_LED_UNKNOWN, PWR_LED_OFF);
if(led.dir == LED_BRIGHTER)
{
if(led.duty < PWM_DUTY_MAX)
led.duty += BREATHE_INTERVAL;
else
{
if(++led.cnt > BREATHE_HOLD_TIME)
{
led.dir = LED_FADE;
led.cnt = 0;
}
}
}
else
{
if(led.duty > BREATHE_INTERVAL)
led.duty -= BREATHE_INTERVAL;
else
{
led.duty = 0;
if(++led.cnt > BREATHE_HOLD_TIME)
{
led.dir = LED_BRIGHTER;
led.cnt = 0;
}
}
}
PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
}
}
}? 電源及功耗管理
電動(dòng)牙刷產(chǎn)品的續(xù)航能力也是一直備受人們關(guān)注。本設(shè)計(jì)方案在低功耗的處理，摒棄了一般的休眠方式，直接采用關(guān)閉電源來(lái)避免設(shè)備在不工作狀態(tài)下的設(shè)備功耗。整個(gè)設(shè)備的供電線路共有三種，如下圖所示。
圖4. 基于ACM32F030的電動(dòng)牙刷供電電路（部分）
正常情況下，設(shè)備不在充電時(shí)，VCHARG電壓為0，需要關(guān)機(jī)時(shí)，按鍵彈開(kāi)，PWR_KEY為低電平，芯片內(nèi)部程序也將PWR_LOCK拉低，此時(shí)Q2關(guān)斷，Q2的D極電壓同VBAT，從而引起Q1斷開(kāi)，VCCIN斷電，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。而開(kāi)機(jī)時(shí)，按鍵按下，PWR_KEY先被拉至高電平，Q2導(dǎo)通，Q2的D極拉低，則Q1導(dǎo)通，設(shè)備供電，程序檢測(cè)到開(kāi)機(jī)，拉高PWR_LOCK，此時(shí)，盡管按鍵彈開(kāi)，PWR_LOCK仍然會(huì)提供Q2的導(dǎo)通電壓，系統(tǒng)正常工作。充電時(shí)，Q2的導(dǎo)通電壓會(huì)由VCHARG提供，系統(tǒng)保持在工作狀態(tài)，此時(shí)會(huì)程序會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在不需要啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)。
電源管理部分，則通過(guò)鋰電池充電芯片檢測(cè)是否進(jìn)行充電，同時(shí)通過(guò)一路ADC監(jiān)測(cè)電池電壓。為減少芯片工作負(fù)擔(dān)，電池電壓的欠壓和滿(mǎn)電通過(guò)ADC門(mén)限電壓功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADC的門(mén)限電壓初始化程序如下：
// ADC Watchdog config ADC_WDT_Handle.ITMode = ENABLE; ADC_WDT_Handle.WatchdogMode = ADC_ANALOGWATCHDOG_RCH_ALL; ADC_WDT_Handle.Channel = channel; ADC_WDT_Handle.HighThreshold = (HIGH_POWER_THS * 0x0FFF) / VREF ; ADC_WDT_Handle.LowThreshold = (LOW_POWER_THS * 0x0FFF) / VREF ;
? 智能管理系統(tǒng)
智能管理系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一部分為上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理，由云端處理，另一部分是電動(dòng)牙刷數(shù)據(jù)記錄和傳輸。整個(gè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可簡(jiǎn)述為，電動(dòng)牙刷通過(guò)慣性測(cè)量?jī)xQMI8658C記錄電動(dòng)牙刷在使用過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)將該部分?jǐn)?shù)據(jù)以及整個(gè)系統(tǒng)的工作參數(shù)通過(guò)BLE發(fā)送到手機(jī)，手機(jī)連接云端，并將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，分析用戶(hù)刷牙的健康指數(shù)，并將相關(guān)建議反饋至手機(jī)。電動(dòng)牙刷作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需上報(bào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如下：
typedef __packed struct{
uint32_t time; // This shows the relative time of each activity
uint16_t location[3]; // This shows the acceleration of brush when using
uint16_t pressure; // This is the force between tooth and brush
uint16_t angle[3]; // This shows the angle between brush
}BLE_RealTimeDataDef; // This define the data structure about brushing tooth in real time其中，location為三軸的加速度，angle為三軸的角度。定時(shí)上傳電動(dòng)牙刷的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。上位機(jī)根據(jù)一系列點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算可得到整個(gè)牙刷的運(yùn)動(dòng)軌跡。
? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
電動(dòng)牙刷的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)H橋芯片MX612E進(jìn)行處理，MX612E的輸入端連接芯片的PWM互補(bǔ)輸出端口。如下圖所示：
圖5. 電動(dòng)牙刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
本設(shè)計(jì)中的電動(dòng)牙刷采用磁懸浮電機(jī)，內(nèi)部構(gòu)造和直流無(wú)刷電機(jī)相似，但相比于直流無(wú)刷電機(jī)，其僅有兩相輸入端。這也就造成該電機(jī)在通電后，正負(fù)極不變的情況下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)至某一角度形成平衡后將會(huì)停止旋轉(zhuǎn)。切換正負(fù)極后則又會(huì)在另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)形成平衡。在電動(dòng)牙刷的正常工作中，是通過(guò)兩相的正負(fù)極切換來(lái)使電機(jī)正反旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)刷頭做高頻運(yùn)動(dòng)的。因此，其電機(jī)速度的控制依靠于輸出PWM的輸出頻率而非占空比。控制代碼如下：
void PWM_freqSet(uint8_t PWMx, uint16_t freq)
{
uint32_t arr;
if(IS_PWM_INSTANCE(PWMx) == 0) return;
if(freq == 0)
{
TIM15->ARR = 0;
return;
}
if(freq > PWM_FREQ_MAX) freq = PWM_FREQ_MAX;
if(freq < PWM_FREQ_MIN) freq = PWM_FREQ_MIN;
arr = (PWM_TIMER_FRE / freq);
if(PWMx == PWM_MOTOR)
{
TIM15->ARR = arr-1;
TIM15->CCR1 = arr / 2;
}
}上例中，PWM的占空比為50%，使得在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電機(jī)可完成一次往返運(yùn)動(dòng)。
本文提出的設(shè)計(jì)方案的主旨是將電動(dòng)牙刷智能化，在提高人們刷牙效率的同時(shí)，也能達(dá)到進(jìn)一步保證人們刷牙質(zhì)量的目的。通過(guò)電動(dòng)牙刷對(duì)慣性的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)上傳至云端，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，恢復(fù)用戶(hù)的刷牙軌跡，給出合理建議，糾正用戶(hù)不良的刷牙習(xí)慣。磁懸浮電機(jī)的高頻振動(dòng)也能有效清除口腔污漬。歲月恒久遠(yuǎn)，牙齒永相隨 ^-^。
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