基于微控制器CKS32F030 的智能电动牙刷设计*

2022-02-17卢超波王瑞琦赵志浩

电子与封装 2022年1期

卢超波，沈伟，王瑞琦，赵志浩

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

随着人民生活水平的不断提高，越来越多的人开始重视牙齿保健和牙龈护理，而电动牙刷作为一种新的洁牙用品，迅速打开了国内市场[1]。目前，国内主流的电动牙刷主要分为两类。第一类是机械旋转式电动牙刷，主要是通过传动轴带动刷头沿顺时针-逆时针方向交替旋转，转速可达8000 次/min。机械旋转式电动牙刷清洁效果优异，但相对于手动刷牙和其他类型的电动牙刷，其对牙齿的损耗最大[2]。第二类是声波振动式电动牙刷，原理是通过声波振动电机驱动刷头，使刷头高速往复振动，振动频次可达31000 次/min。与机械旋转式电动牙刷相比，声波振动式电动牙刷清洁牙齿的能力略低，价格略高，但可以大大降低牙齿的损耗[3]。

本文设计了一款智能声波振动式电动牙刷，利用微控制器驱动声波振动电机实现高频振动，同时进行内部计时，以定时提醒用户更换刷牙区域并定时关机；利用蓝牙模块传输刷牙数据，可以帮助用户了解自己的刷牙情况并养成良好的刷牙习惯。

2 声波振动电机控制原理

声波振动电机工作示意图如图1 所示，转子为嵌设在转子芯片内的2 个磁体，定子为串联且绕线方向相反的定子线圈。当定子线圈通电时，由于两个定子线圈绕线方向相反，定子线圈也产生了相反的磁场，而2 个磁体的磁极安装方向相同使得转子芯片的磁极与定子磁极之间异极相吸同极相斥，从而使转子芯片产生扭力并带动转子转动。因此，当给定子线圈通入正负方波电流后，电流的变化会引起定子线圈磁极的改变，从而扭力的方向也将发生变化，此时，转子芯片将带动转子进行往复式小幅转动，最后通过机械传导使牙刷头产生高频振动的效果[4]。

图1 声波振动电机工作示意图

3 系统硬件设计

3.1 硬件总体设计

智能电动牙刷的主控芯片采用中科芯集成电路有限公司研制的基于ARM Cortex-M0 内核的CKS32F030K6U6 单片机。该芯片工作频率为48 MHz，拥有32 个引脚，外设资源丰富，有1 个12 位ADC，1 个USART，1 个I2C 接口，4 个通用定时器和1 个高级PWM 控制定时器，可以满足智能电动牙刷的设计需求。硬件结构的总体框图如图2 所示，主要由主控芯片、蓝牙模块、时钟模块、电机驱动模块、开机唤醒电路和充电控制电路组成。电机采用的是3518 声波磁悬浮电机，其额定电压为3.7 V，额定电流为（350±35）mA，输出扭矩大于0.022 N·m。

图2 系统硬件结构总体框图

3.2 开机唤醒电路

开机唤醒电路如图3 所示，当按键K1 按下时，POWER_ON 引脚被拉高，电源芯片U4 使能，开始给单片机供电。由于POWER_ON 引脚与单片机的一个IO 口相连，当单片机上电后，单片机第一时间拉高POWER_ON 引脚以保证其供电稳定。当再次按下K1时，单片机将POWER_ON 引脚拉低，使电源断开，单片机断电，此时，整个电动牙刷控制板的功耗不超过10 μA。

图3 开机唤醒电路

3.3 无线充电控制电路

智能电动牙刷充电采用的是无线充电技术，无线充电底座将电能转化为电磁波发射给接收端，接收端的充电线圈利用变化的磁场产生感应电流，从而实现给电池充电的目的[5]。接收端的充电电压为4.2 V，充电电流为500 mA，充电效率为70%～80%。充电控制电路如图4 所示，主要由电磁感应次级线圈、整流二极管、充电管理芯片U3 和锂电池充电保护芯片U2 等组成。当充电线圈产生电流时，通过整流二极管，把POWER_ON 置为高电平，从而使能电源芯片U4。此时，单片机得到供电，进入充电模式并通过充电管理芯片U3 提供的信号来判断充电是否完成。综上所述，按键按下和充电状态均会使MCU 上电，因此软件处理的时候需要先判断唤醒源后再进行相应的工作。

图4 无线充电控制电路

3.4 电机驱动电路

电机驱动电路如图5 所示，单片机通过内置PWM 定时器输出两路PWM 信号，经由单通道直流驱动器芯片U7 后，加在声波振动电机的两端，从而驱动电机达到相应的振动频率和力度。

图5 电机驱动电路

4 系统软件设计

4.1 智能电动牙刷软件流程

智能电动牙刷的软件设计流程如图6 所示。当MCU 上电以后，第一时间检查按键是否按下。若按键没有按下，则唤醒源为充电信号，MCU 直接进入充电模式。若按键按下，MCU 将置高POWER_ON 引脚以保证为其供电，接着读取上一次保存的牙刷工作模式，然后进入正常工作状态，同时等待按键信号或者充电信号。当按键长按超过1 s 时，系统切换工作模式。当按键短按时，MCU 存储当前工作模式，然后将刷牙数据通过蓝牙模块上传至上位机，接着将POWER_ON 引脚置低，使整个系统断电。当有充电信号时，MCU 停止驱动声波振动电机并进入充电模式，充电信号结束后，MCU 立即掉电关机。

图6 电动牙刷软件设计流程

4.2 声波振动电机驱动

声波振动电机控制波形如图7 所示，A、B 为声波振动电机的两个输入端。当A 输入高电平、B 输入低电平时，电流正向流入定子线圈，引起转子顺时针转动。当A 输入低电平、B 输入高电平时，电流反向流入定子线圈，引起转子逆时针转动（见图1）。因此，在声波振动电机的两个输入端输入占空比和频率相同、相位差180°的PWM 后，电机便可往复式转动。声波振动电机的工作频率可以通过调节PWM 的周期来改变，周期越小，工作频率越高；其振动力度可以通过调节PWM 的占空比来改变，占空比越高（但不可超过50%），振动力度越大。智能电动牙刷采用的芯片CKS32F030K6U6 含有一个专门的高级PWM 控制定时器，该定时器可直接输出两路周期相同且互补的PWM，并可分别设置其占空比，可以十分简单且高效地驱动声波振动电机。