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軟硬(ying)件全開源(yuan)，航芯方案分享 | 智能電動牙刷方案

當代口(kou)腔(qiang)問(wen)題頻(pin)發，讓人們(men)越來越重視口(kou)腔(qiang)衛生(sheng)。傳統的(de)(de)(de)刷(shua)(shua)牙(ya)方(fang)式(shi)(shi)(shi)，由(you)于個(ge)人習慣和刷(shua)(shua)牙(ya)方(fang)式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，會不(bu)同(tong)程(cheng)度地導致牙(ya)齦(yin)受損，牙(ya)菌斑去(qu)除不(bu)徹底等問(wen)題。而電(dian)動(dong)牙(ya)刷(shua)(shua)設備(bei)，基于其(qi)相對程(cheng)序化的(de)(de)(de)刷(shua)(shua)牙(ya)方(fang)式(shi)(shi)(shi)，可根(gen)據個(ge)人口(kou)腔(qiang)特性(xing)支持(chi)自主選擇，調節刷(shua)(shua)牙(ya)力(li)度。而且(qie)在刷(shua)(shua)牙(ya)過(guo)程(cheng)中，不(bu)需(xu)要過(guo)多的(de)(de)(de)手部(bu)動(dong)作，僅需(xu)要調節刷(shua)(shua)牙(ya)的(de)(de)(de)角度，更(geng)多的(de)(de)(de)清(qing)潔工作交付由(you)牙(ya)刷(shua)(shua)本身的(de)(de)(de)特性(xing)來完成。方(fang)便人們(men)的(de)(de)(de)同(tong)時也更(geng)能有效(xiao)的(de)(de)(de)減少(shao)口(kou)腔(qiang)問(wen)題。

電(dian)動牙刷類型

現在市面(mian)上電動(dong)(dong)牙刷品類(lei)(lei)繁(fan)多，從刷頭的方式(shi)可將其分為(wei)兩大類(lei)(lei)型：旋轉式(shi)和振動(dong)(dong)式(shi)（也(ye)叫聲波(bo)式(shi)）。參考

圖1. 電動牙刷工(gong)作方(fang)式(shi)對比圖

旋(xuan)轉(zhuan)式(shi)電動(dong)(dong)牙(ya)刷(shua)是(shi)由電機(ji)帶(dai)動(dong)(dong)刷(shua)頭(tou)旋(xuan)轉(zhuan)，牙(ya)面清潔度高(gao)，但牙(ya)縫(feng)清潔能(neng)(neng)力(li)薄弱且相較于振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)式(shi)，更易損傷牙(ya)釉質。而振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)式(shi)，由電機(ji)帶(dai)動(dong)(dong)刷(shua)頭(tou)進行上下的(de)(de)高(gao)頻振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)，高(gao)頻擺動(dong)(dong)的(de)(de)刷(shua)頭(tou)能(neng)(neng)高(gao)效完成洗刷(shua)牙(ya)齒的(de)(de)動(dong)(dong)作，可以(yi)(yi)讓牙(ya)膏與(yu)水的(de)(de)混合物產(chan)生大(da)量微小的(de)(de)氣泡(pao)，氣泡(pao)爆裂(lie)時產(chan)生的(de)(de)壓力(li)可以(yi)(yi)更深(shen)入牙(ya)縫(feng)達(da)到深(shen)度的(de)(de)清潔效果。

振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)式(shi)的實(shi)現有兩種方(fang)式(shi)，一(yi)種由偏心振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)電(dian)機(ji)實(shi)現，多用(yong)于中低檔的電(dian)動(dong)(dong)(dong)牙(ya)刷方(fang)案。該種方(fang)式(shi)的電(dian)動(dong)(dong)(dong)牙(ya)刷振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)感強(qiang)，振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)無序。另一(yi)種則是采用(yong)線性電(dian)機(ji)，業內也稱之為磁懸浮(fu)電(dian)機(ji)。

圖2. 磁懸浮電機示意(yi)圖

磁懸(xuan)浮電機的優(you)點在于其在工作運(yun)行噪聲(sheng)小，機身振(zhen)感低，振(zhen)動(dong)能量集中(zhong)，清(qing)潔(jie)效(xiao)果佳。因此，本文采用ACM32F030作為主控芯片，基于磁懸(xuan)浮電機提(ti)出(chu)一款電動(dong)牙刷的設計(ji)方案(an)。

設計方案

本文描述的(de)電動牙(ya)刷方案，是(shi)基于上(shang)海航(hang)芯ACM32F030系列的(de)MCU進行設計，整體的(de)方案框圖如下所(suo)示：

圖3. 基于ACM32F030/070電(dian)動牙(ya)刷設計(ji)方案框圖

ACM32F0X0 系列(lie)(lie)是一款(kuan)支持多(duo)種(zhong)低(di)功耗模(mo)式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以及比較(jiao)器、運放、觸(chu)控(kong)按鍵(jian)控(kong)制器、段式LCD控(kong)制器，內置(zhi)高(gao)性能定時器、多(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建AES、TRNG等信息安全模(mo)塊，支持多(duo)種(zhong)低(di)功耗模(mo)式，具有高(gao)整合度、高(gao)抗(kang)干擾、高(gao)可靠性的特點(dian)。本產(chan)品(pin)采用ARM Cortex-M0系列(lie)(lie)內核，最高(gao)工作(zuo)頻率(lv)64MHz。足以滿足一般的電動牙刷方案的需(xu)求。

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備注：ACM32F030和070軟硬件兼容

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軟硬件下(xia)載鏈接如下(xia)：

? 人機交互系統

本文論(lun)述的(de)(de)(de)設計方(fang)案中(zhong)的(de)(de)(de)人機(ji)交互功能(neng)(neng)是(shi)采用(yong)簡單(dan)的(de)(de)(de)LED和(he)按鍵(jian)的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)進(jin)行實現(xian)(xian)。共有1個(ge)按鍵(jian)和(he)6個(ge)LED。按鍵(jian)需(xu)實現(xian)(xian)設備的(de)(de)(de)開(kai)關機(ji)以及模(mo)式(shi)切(qie)換功能(neng)(neng)。設備會根據按鍵(jian)按下時(shi)間的(de)(de)(de)長短來判定當前的(de)(de)(de)動作(zuo)(zuo)是(shi)需(xu)要切(qie)換模(mo)式(shi)或是(shi)開(kai)關機(ji)操作(zuo)(zuo)。6個(ge)LED中(zhong)有3個(ge)用(yong)于工(gong)作(zuo)(zuo)模(mo)式(shi)指(zhi)示，最(zui)大(da)可支持7種工(gong)作(zuo)(zuo)模(mo)式(shi)（23-1），本設計方(fang)案中(zhong)僅提供了三種模(mo)式(shi)。另外3個(ge)LED用(yong)于系統狀態(tai)指(zhi)示，包括正常，欠壓(ya)，充電，充滿4種電壓(ya)狀態(tai)。

長短按識別程序：

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(xi)統指示程(cheng)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(yuan)及功(gong)耗管理

電(dian)動牙刷產品的(de)續航能力也是一(yi)直(zhi)備(bei)(bei)受人(ren)們關注。本設(she)計方案在低功(gong)耗的(de)處理(li)，摒棄了一(yi)般的(de)休眠方式，直(zhi)接采用關閉電(dian)源來(lai)避免設(she)備(bei)(bei)在不工作狀態下的(de)設(she)備(bei)(bei)功(gong)耗。整個設(she)備(bei)(bei)的(de)供電(dian)線路共(gong)有(you)三種，如下圖所(suo)示。

圖(tu)4. 基于ACM32F030的電動牙刷供電電路（部分(fen)）

正(zheng)常情況下，設備不在充電(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)，VCHARG電(dian)(dian)壓為0，需(xu)要(yao)(yao)關機(ji)(ji)時(shi)(shi)(shi)，按(an)鍵(jian)彈開，PWR_KEY為低(di)電(dian)(dian)平(ping)，芯片內(nei)部程序也將(jiang)PWR_LOCK拉(la)(la)(la)低(di)，此時(shi)(shi)(shi)Q2關斷(duan)，Q2的(de)D極(ji)電(dian)(dian)壓同VBAT，從而引起Q1斷(duan)開，VCCIN斷(duan)電(dian)(dian)，系(xi)(xi)統關機(ji)(ji)。而開機(ji)(ji)時(shi)(shi)(shi)，按(an)鍵(jian)按(an)下，PWR_KEY先(xian)被(bei)拉(la)(la)(la)至高電(dian)(dian)平(ping)，Q2導(dao)(dao)(dao)通，Q2的(de)D極(ji)拉(la)(la)(la)低(di)，則Q1導(dao)(dao)(dao)通，設備供電(dian)(dian)，程序檢測(ce)到開機(ji)(ji)，拉(la)(la)(la)高PWR_LOCK，此時(shi)(shi)(shi)，盡(jin)管按(an)鍵(jian)彈開，PWR_LOCK仍(reng)然會(hui)提供Q2的(de)導(dao)(dao)(dao)通電(dian)(dian)壓，系(xi)(xi)統正(zheng)常工(gong)作。充電(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)，Q2的(de)導(dao)(dao)(dao)通電(dian)(dian)壓會(hui)由VCHARG提供，系(xi)(xi)統保(bao)持在工(gong)作狀態，此時(shi)(shi)(shi)會(hui)程序會(hui)檢測(ce)系(xi)(xi)統的(de)運行狀態，在不需(xu)要(yao)(yao)啟動時(shi)(shi)(shi)，進入休眠(mian)狀態。

電(dian)(dian)源管(guan)理(li)部分(fen)，則通過(guo)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)芯(xin)片檢測是否進(jin)行(xing)充電(dian)(dian)，同時通過(guo)一路ADC監測電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)。為(wei)減(jian)少(shao)芯(xin)片工作負擔(dan)，電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)的欠壓(ya)和滿電(dian)(dian)通過(guo)ADC門限(xian)電(dian)(dian)壓(ya)功能(neng)來實現。ADC的門限(xian)電(dian)(dian)壓(ya)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

智能管(guan)理系統分(fen)為兩個(ge)(ge)部分(fen)，一部分(fen)為上(shang)位機(ji)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理，由云端處(chu)理，另一部分(fen)是電(dian)動牙刷(shua)數(shu)據(ju)記錄(lu)和傳輸。整(zheng)個(ge)(ge)的(de)實(shi)現過(guo)(guo)(guo)程(cheng)可簡(jian)述為，電(dian)動牙刷(shua)通(tong)過(guo)(guo)(guo)慣性測量儀(yi)QMI8658C記錄(lu)電(dian)動牙刷(shua)在使用(yong)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中的(de)運動軌跡，并(bing)實(shi)時將(jiang)該部分(fen)數(shu)據(ju)以及整(zheng)個(ge)(ge)系統的(de)工作參(can)數(shu)通(tong)過(guo)(guo)(guo)BLE發送到手(shou)機(ji)，手(shou)機(ji)連接云端，并(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)傳輸至云平(ping)臺進行數(shu)據(ju)解析，分(fen)析用(yong)戶刷(shua)牙的(de)健康指數(shu)，并(bing)將(jiang)相(xiang)關(guan)建議反饋至手(shou)機(ji)。電(dian)動牙刷(shua)作為數(shu)據(ju)采集設(she)備，需上(shang)報實(shi)時數(shu)據(ju)，結(jie)構如下：

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(de)加速度，angle為三軸的(de)角度。定時上(shang)傳電動牙刷的(de)相關實時數(shu)據。上(shang)位機(ji)根據一系(xi)列點位數(shu)據進行建模計算(suan)可(ke)得(de)到整個牙刷的(de)運動軌跡(ji)。

? 電機驅動系(xi)統

電動牙刷的驅動系統(tong)是通過(guo)H橋芯(xin)片MX612E進行處理(li)，MX612E的輸入端連接芯(xin)片的PWM互補輸出端口。如下圖所示：

圖5. 電動(dong)牙(ya)刷(shua)電機驅動(dong)電路

本(ben)設(she)計中的電(dian)動(dong)牙(ya)刷采(cai)用(yong)磁懸浮(fu)電(dian)機(ji)，內部(bu)構造和直(zhi)流(liu)無刷電(dian)機(ji)相(xiang)(xiang)似(si)，但(dan)相(xiang)(xiang)比(bi)于直(zhi)流(liu)無刷電(dian)機(ji)，其(qi)僅有兩相(xiang)(xiang)輸入端。這也就造成該電(dian)機(ji)在(zai)(zai)通電(dian)后，正(zheng)負極不變的情況下，電(dian)機(ji)旋轉(zhuan)至某一角度形成平(ping)衡后將會停止旋轉(zhuan)。切(qie)換正(zheng)負極后則又會在(zai)(zai)另一個方向旋轉(zhuan)形成平(ping)衡。在(zai)(zai)電(dian)動(dong)牙(ya)刷的正(zheng)常工作中，是(shi)通過兩相(xiang)(xiang)的正(zheng)負極切(qie)換來使電(dian)機(ji)正(zheng)反旋轉(zhuan)從而(er)帶動(dong)刷頭做(zuo)高頻(pin)(pin)運(yun)動(dong)的。因此(ci)，其(qi)電(dian)機(ji)速度的控制依靠(kao)于輸出PWM的輸出頻(pin)(pin)率而(er)非占空比(bi)。控制代(dai)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(zhong)，PWM的占空比為50%，使得在一個PWM周(zhou)期內，電機可完(wan)成一次往(wang)返運動。

本文提出(chu)的(de)(de)(de)設計方案的(de)(de)(de)主旨(zhi)是將電(dian)動(dong)牙(ya)刷(shua)(shua)智(zhi)能(neng)(neng)化，在提高人們刷(shua)(shua)牙(ya)效率的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)，也能(neng)(neng)達到進一步保證人們刷(shua)(shua)牙(ya)質(zhi)量的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。通過電(dian)動(dong)牙(ya)刷(shua)(shua)對(dui)慣性的(de)(de)(de)數據(ju)采集，實(shi)時(shi)上傳至云端，并對(dui)數據(ju)進行(xing)處理，恢復(fu)用戶的(de)(de)(de)刷(shua)(shua)牙(ya)軌跡，給出(chu)合理建(jian)議(yi)，糾(jiu)正用戶不良的(de)(de)(de)刷(shua)(shua)牙(ya)習慣。磁(ci)懸浮(fu)電(dian)機的(de)(de)(de)高頻振動(dong)也能(neng)(neng)有效清(qing)除(chu)口腔(qiang)污漬。歲月(yue)恒久遠，牙(ya)齒(chi)永相隨 ^-^。

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