盧超波，沈 偉，王瑞琦，趙志浩

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，越來越多的人開始重視牙齒保健和牙齦護理，而電動牙刷作為一種新的潔牙用品，迅速打開了國內(nèi)市場[1]。目前，國內(nèi)主流的電動牙刷主要分為兩類。第一類是機械旋轉(zhuǎn)式電動牙刷，主要是通過傳動軸帶動刷頭沿順時針-逆時針方向交替旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達8000 次/min。機械旋轉(zhuǎn)式電動牙刷清潔效果優(yōu)異，但相對于手動刷牙和其他類型的電動牙刷，其對牙齒的損耗最大[2]。第二類是聲波振動式電動牙刷，原理是通過聲波振動電機驅(qū)動刷頭，使刷頭高速往復振動，振動頻次可達31000 次/min。與機械旋轉(zhuǎn)式電動牙刷相比，聲波振動式電動牙刷清潔牙齒的能力略低，價格略高，但可以大大降低牙齒的損耗[3]。

本文設計了一款智能聲波振動式電動牙刷，利用微控制器驅(qū)動聲波振動電機實現(xiàn)高頻振動，同時進行內(nèi)部計時，以定時提醒用戶更換刷牙區(qū)域并定時關機；利用藍牙模塊傳輸刷牙數(shù)據(jù)，可以幫助用戶了解自己的刷牙情況并養(yǎng)成良好的刷牙習慣。

2 聲波振動電機控制原理

聲波振動電機工作示意圖如圖1 所示，轉(zhuǎn)子為嵌設在轉(zhuǎn)子芯片內(nèi)的2 個磁體，定子為串聯(lián)且繞線方向相反的定子線圈。當定子線圈通電時，由于兩個定子線圈繞線方向相反，定子線圈也產(chǎn)生了相反的磁場，而2 個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)生扭力并帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。因此，當給定子線圈通入正負方波電流后，電流的變化會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，轉(zhuǎn)子芯片將帶動轉(zhuǎn)子進行往復式小幅轉(zhuǎn)動，最后通過機械傳導使牙刷頭產(chǎn)生高頻振動的效果[4]。

圖1 聲波振動電機工作示意圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件總體設計

智能電動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。該芯片工作頻率為48 MHz，擁有32 個引腳，外設資源豐富，有1 個12 位ADC，1 個USART，1 個I2C 接口，4 個通用定時器和1 個高級PWM 控制定時器，可以滿足智能電動牙刷的設計需求。硬件結(jié)構(gòu)的總體框圖如圖2 所示，主要由主控芯片、藍牙模塊、時鐘模塊、電機驅(qū)動模塊、開機喚醒電路和充電控制電路組成。電機采用的是3518 聲波磁懸浮電機，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 開機喚醒電路

開機喚醒電路如圖3 所示，當按鍵K1 按下時，POWER_ON 引腳被拉高，電源芯片U4 使能，開始給單片機供電。由于POWER_ON 引腳與單片機的一個IO 口相連，當單片機上電后，單片機第一時間拉高POWER_ON 引腳以保證其供電穩(wěn)定。當再次按下K1時，單片機將POWER_ON 引腳拉低，使電源斷開，單片機斷電，此時，整個電動牙刷控制板的功耗不超過10 μA。

圖3 開機喚醒電路

3.3 無線充電控制電路

智能電動牙刷充電采用的是無線充電技術，無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產(chǎn)生感應電流，從而實現(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，主要由電磁感應次級線圈、整流二極管、充電管理芯片U3 和鋰電池充電保護芯片U2 等組成。當充電線圈產(chǎn)生電流時，通過整流二極管，把POWER_ON 置為高電平，從而使能電源芯片U4。此時，單片機得到供電，進入充電模式并通過充電管理芯片U3 提供的信號來判斷充電是否完成。綜上所述，按鍵按下和充電狀態(tài)均會使MCU 上電，因此軟件處理的時候需要先判斷喚醒源后再進行相應的工作。

圖4 無線充電控制電路

3.4 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路如圖5 所示，單片機通過內(nèi)置PWM 定時器輸出兩路PWM 信號，經(jīng)由單通道直流驅(qū)動器芯片U7 后，加在聲波振動電機的兩端，從而驅(qū)動電機達到相應的振動頻率和力度。

圖5 電機驅(qū)動電路

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 智能電動牙刷軟件流程

智能電動牙刷的軟件設計流程如圖6 所示。當MCU 上電以后，第一時間檢查按鍵是否按下。若按鍵沒有按下，則喚醒源為充電信號，MCU 直接進入充電模式。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，然后進入正常工作狀態(tài)，同時等待按鍵信號或者充電信號。當按鍵長按超過1 s 時，系統(tǒng)切換工作模式。當按鍵短按時，MCU 存儲當前工作模式，然后將刷牙數(shù)據(jù)通過藍牙模塊上傳至上位機，接著將POWER_ON 引腳置低，使整個系統(tǒng)斷電。當有充電信號時，MCU 停止驅(qū)動聲波振動電機并進入充電模式，充電信號結(jié)束后，MCU 立即掉電關機。

圖6 電動牙刷軟件設計流程

4.2 聲波振動電機驅(qū)動

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

圖7 聲波振動電機控制波形

5 系統(tǒng)測試與實驗結(jié)果

聲波振動電機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，振動頻率高達31920 次/min。智能電動牙刷關機前會上報刷牙數(shù)據(jù)，配有測試APP 進行測試，測試APP 主界面顯示刷牙數(shù)據(jù)如刷牙時間、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CKS32F030K6U6 設計了一款智能電動牙刷，其功耗低，功能豐富。該智能電動牙刷內(nèi)嵌時鐘模塊和藍牙模塊，可將刷牙數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳送至APP，方便用戶掌握自己的刷牙情況。