【《某无线充电电动牙刷系统的整体方案设计案例》5200字】

某无线充电电动牙刷系统的整体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29508某无线充电电动牙刷系统的整体方案设计案例 120268第一章方案设计 1130771.1系统总体方案设计 163151.2各模块方案设计 329241.1.1无线充电方案设计 35921.1.2单片机系统设计 4171801.1.3电机及驱动设计 460161.1.4电池方案设计 51081.1.5充电管理方案设计 621517第二章硬件原理 7112382.1无线充电电路原理 7292732.2充电管理电路原理 1088282.3单片机控制系统 12325962.4电机驱动电路原理 13方案设计1.1系统总体方案设计该无线充电电动牙刷主要由无线充电模块、充电管理模块、单片机控制模块、电机及驱动模块四个模块等组成。在无线充电电动牙刷充电时，通过USB电源线给无线充电发射模块进行供电，无线充电发射模块将电能转换为感应线圈上的变化的磁场，当无线充电接收模块的感应线圈靠近发射模块的感应线圈并达到一定距离时，接收模块的感应线圈会产生感应电流，并通过充电管理模块向锂电池充电。无线充电电动牙刷开始工作时，此时由锂电池经过升压后对整个系统进行供电，当按键按下，单片机将脉冲信号传递给电机驱动模块，控制电机产生高频的振动从而带动牙刷刷头和刷毛产生一定的摆幅。无线充电电动牙刷总体设计方案如图2-1所示：图2-1无线充电电动牙刷总体框图无线充电模块：无线充电模块包括无线充电发射模块和无线充电接收模块。无线充电模块的发射模块利用电磁感应原理将电能转化为发射端感应线圈上的变化的磁场，当接收模块的感应线圈靠近发射模块的感应线圈时，接收模块的感应线圈感应到发射模块感应线圈变化的磁场从而产生感应电流。感应电流经过接收模块的处理后通过充电管理模块对锂电池的充电。充电管理模块：充电管理模块包括充电过程管理、电池电量显示、5V升压功能。充电过程管理功能是通过芯片内置的输入过压、过充保护电路和输出过流、过压和短路保护电路等保护电路对锂电池充电过程进行监控管理，实现自适应充电电流调节，充满自动截止等功能。电池电量显示功能是通过四个LED灯的亮灭状态来显示电池电量和充电状态。5V升压功能是通过电容电感等器件将标准电压为2.7V的锂电池升压至5V给整个系统供电。单片机控制模块：单片机控制模块是控制电机产生高频振动的核心器件，利用单片机中定时器、中断等机制对单片机进行编程，实现当按键按下时，单片机产生脉冲信号传递给电机驱动模块，通过电机驱动模块产生足够大的驱动电流使电机启动，实现电机声波级别频率的振动从而带动电动牙刷刷头和刷毛产生一定的摆幅。电机及驱动模块：无线充电电动牙刷是利用电机的高频振动带动牙刷刷头和刷毛产生一定摆幅进行工作，一般传统的直流电机只能高频旋转，无法产生高频振动，因此采用磁悬浮电机作为电动牙刷的电机。磁悬浮电机的振子处于两组由线圈组成的电极之间，通过改变控制信号，产生交变的电流，改变磁场的方向和强度，从而使得振子在极板之间高速摆动。51单片机单个IO口驱动电流为20mA左右，无法直接驱动磁悬浮电机振动，因此需要采用直流电机驱动模块驱动电机产生高频振动。无线充电电动牙刷电路包括无线充电电路、充电管理及电量显示电路、单片机控制电路和电机驱动电路四个部分。无线充电电动牙刷总电路图2-2所示：图2-2无线充电电动牙刷总电路图1.2各模块方案设计1.1.1无线充电方案设计目前市面上主流的中小型无线充电方案主要是电磁感应式无线充电，利用电磁感应原理使接收端线圈产生感应电流实现无线充电。本设计中无线充电模块采用的XKT-412无线充电模块也是利用的电磁感应原理。该无线充电模块包含无线充电发射端和无线充电接收端，通过无线充电发射端在感应线圈周围产生磁场，当接收端感应线圈靠近发射端感应线圈时，接收端感应线圈就会产生感应电流。无线充电模块工作时，通过USB电源线将5V电源传输给该无线充电模块，其中XKT-412及XKT-335芯片配合将电能转化为电磁能传递给发射端的线圈。当接收端线圈正对靠近发送端线圈时，接收端线圈产生感应电流并传递给XKT-3168芯片转化为5V电压输出。该模块无线充电传输有效距离为1-20mm，可接受5-12V电压输入，并输出5V/500mA。无线充电模块如图2-3所示；图2-3XKT-412无线充电模块1.1.2单片机系统设计单片机是控制电动牙刷电机产生高频振动的核心器件,在本设计中我们选用了专门用于电机控制的STC12C5A60S增强型的51单片机。该单片机是STC生产的高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，其指令代码完全兼容传统8051，但速度比传统的8051快8-12倍，片内集成60K大容量程序存储器，集成了MAX810专用复位电路，具有2路PWM输出，具有8路高速10位精度A/D转换，几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，尤其是针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S单片机控制系统如图2-4所示；图2-4STC12C5A60S单片机控制系统1.1.3电机及驱动设计无线充电电动牙刷是通过电机的高频振动带动牙刷刷头和刷毛产生一定的摆幅，从而完成刷牙过程。市面上的电动牙刷主要分为机械旋转式和声波振动式电动牙刷,不同类型的电动牙刷对应着使用不同的电机。机械旋转式电动牙刷采用的是普通直流电机,而声波振动式电动牙刷采用的是磁悬浮电机。磁悬浮电机如图2-5所示：图2-5磁悬浮电机由于单片机驱动能力弱，因此需要通过驱动电路来增加单片机驱动能力，采用DRV8833双通道H桥电机驱动模块来驱动电机产生高频振动。DRV8833驱动模块如图2-5、2-6所示：图2-6DRV8833电机驱动模块1.1.4电池方案设计为满足无线充电电动牙刷长时间续航功能，充电时采用无线充电对锂电池进行充电，工作时依靠锂电池对系统进行供电，考虑到电动牙刷尺寸大小，兼顾电池容量及可充放电等，综合考虑采用2800mAh的18650可充电锂电池。18650锂电池大小与5号电池类似，电池容量足够大且可充电。18650电池的标准电压为2.7V，可放电至1.8V，充满电后电池两端电压为4.2V。容量为2800mAh的18650锂电池如图2-7所示：图2-7容量为2800mAh的18650锂电池1.1.5充电管理方案设计无线充电电动牙刷工作时通过锂电池进行供电，电量不足时通过无线充电方式对锂电池进行充电。锂电池容量有限，不能出现过充或者过放行为，否则会对锂电池造成不可逆的损耗，会缩短锂电池使用寿命。因此，需要对锂电池充电过程进行监控和保护。由于锂电池的工作电压在1.8V到4.2V之间，且电池随着使用时间增加电压逐渐衰减，而单片机、电机驱动模块和电机需要工作在稳定的5V电源下，因此需要通过升压电路对电池电压进行升压，为整个系统供电，使整个系统在稳定的电源下工作。本设计采用IP5306充放电高集成度移动电源SOC。该芯片是一款集成锂电池充电管理、电池电量指示和升压转换器的多功能电源管理SOC，具有单节锂电池充电、通过LED灯显示电池电量、将锂电池电压进行升压至5V为系统供电等功能。IP5306锂电池充电管理模块如图2-8所示：图2-8IP5306锂电池充电管理模块

硬件原理2.1无线充电电路原理本设计中采用XKT-412无线充电模块对锂电池进行无线充电。XKT-412是一款高频大功率集成芯片，采用最先进的宽电压自适应技术芯片工艺，同样的发射电路可以在不改变任何器件的情况下在任意工作电压范围内使用，专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，且电路及其简单，具有高精度稳定好等特点，采用SOP-8型式封装，散热性好可靠性高。XKT-412芯片体积小输出功率强大，可工作在较高频率范围内，可大大减少发射线圈的体积和尺寸降低线圈成本，广泛的应用在消费电子产品和医疗产品上。XKT-412引脚图如图3-1所示：图3-1XKT-412芯片引脚图XKT-412芯片通过电磁能量转换原理将电能转换为线圈中的磁能，配合接收端线圈进行能量转换，并对电路进行实时监控。XKT-412芯片引脚功能如表3-1所示：表3-1XKT-412芯片引脚功能描述引脚编号引脚功能描述1VD电压检测2FT频率微调3MFA多功能调节4WL功率加强5GND地6OUT输出7TD功率驱动8VDD电源正极XKT-412芯片将能量输出传送给XKT-335芯片进行放大。XKT-335是高频大功率输出集成芯片，配合XKT-412芯片进行能量转换和功率放大。XKT-335芯片引脚图如图3-2所示：图3-2XKT-335芯片引脚图XKT-412芯片将能量传递给XKT-335芯片的IN引脚，通过内置功率放大电路进行放大，由输出引脚OUT进行输出传递至发射线圈。XKT-335芯片各个引脚功能如表3-2所示：表3-2XKT-335芯片引脚功能描述引脚编号引脚功能描述1OUT输出2OUT输出3OUT输出4OUT输出5GND地6GND地7GND地8IN功率输入XKT-412无线充电模块发射电路由XKT-412和XKT-335及电阻电容和感应线圈组成，可通过USB线输入5-12V电压，无线充电发射电路如图3-3所示：图3-3无线充电发射电路无线充电接收端由XKT-3168芯片及其应用电路组成。XKT-3168芯片是通用无线充电接收芯片，体积小输出功率大，可配合各种无线充电方案，电路结构简单应用方便。XKT-3168芯片引脚图如图3-4所示：图3-4XKT-3168芯片引脚图XKT-3168芯片将感应线圈产生的感应电流进行采集，并转换为稳定的5V电压进行输出。XKT-3168芯片引脚功能如表3-3所示：表3-3XKT-3168芯片引脚功能描述引脚编号引脚功能描述1NC空2IN输入3OUT输出4GND地5VA输出电压调节取样6NC空7O/F输出控制使能端8NC空无线充电接收端电路由XKT-3168芯片及电阻电容二极管电感和感应线圈等组成，输出电压为5V可通过充电管理模块对锂电池进行充电。无线充电接收端电路如图3-5所示：图3-5无线充电接收电路2.2充电管理电路原理充电管理模块包括锂电池充电过程管理、锂电池电量显示和5V升压功能。IP5306是一款集成锂电池充电管理、电池电量显示、升压转换器的多功能电源管理SOC，采用开关充电技术，最大可提供1.1A电流，充电效率可达91%，同时同步升压系统可提供最大1.4A输出电流，升压效率可达92%，空载时自动进入休眠状态，功耗较低静态电流小于100uA。IP5306芯片引脚图如图3-6所示：图3-6IP5306芯片引脚图IP5306芯片采用ESOP-8封装型式，封装底部有散热焊盘，可扩大散热面积，降低芯片在工作时的温度，延长芯片使用寿命。IP5306芯片各个引脚功能如图3-4所示：表3-4XKT-3168芯片引脚功能描述引脚编号引脚功能描述1VINDC5V充电输入引脚2LED1LED驱动引脚3LED2LED驱动引脚4LED3LED驱动引脚5KEY按键输入引脚6BAT锂电池正极引脚7SWDC-DC开关引脚8VOUT5V升压输出引脚将无线充电接收端输出引脚作为充电管理模块的电源输入接入IP5306芯片的VIN引脚，并将锂电池正负极分别接入IP5306芯片的BAT引脚和地，即可通过无线充电模块通过锂电池管理模块对锂电池进行充电并对充电过程进行监控，防止锂电池过度充电产生危险。IP5306锂电池充电管理模块可以通过可LED进行电池电量显示，通过IP5306芯片上面的LED1、LED2、LED3引脚即可控制LED进行电量显示，且最多可支持四颗LED灯同时电量显示。当无线充电电动牙刷开始工作时，LED灯显示状态如表3-5所示：表3-5IP5306放电时LED灯状态电量C(%)LED1LED2LED3LED4C>=75%亮亮亮亮50%=<C<75%亮亮亮灭25%=<C<50%亮亮灭灭3%=<C<25%亮灭灭灭0%=<C<3%1.5Hz闪烁灭灭灭当无线充电电动牙刷进行充电时，LED灯显示状态如表3-6所示：表3-6IP5306放电时LED灯状态电量C(%)LED1LED2LED3LED4充满亮亮亮亮75%=<C亮亮亮0.5Hz闪烁50%=<C<75%亮亮0.5Hz闪烁灭25%=<C<50%亮0.5Hz闪烁灭灭C<25%0.5Hz闪烁灭灭灭IP5306锂电池充电管理模块电路由无线充电模块输入接口、锂电池接口和电源输出接口以及少量电阻电容电感和LED灯组成。IP5306锂电池充电管理模块电路图如图3-7所示：图3-7IP5306锂电池充电管理电路2.3单片机控制系统本设计中选用的是专门用于电机控制的增强型51单片机STC12C5A60S。与普通的51单片机相比，STC12C5A60S单片机拥有60K大容量程序存储器，两路PWM输出，速度快等优点。STC12C5A60S单片机采用LQFP-44的封装，其引脚功能如图3-14所示：图3-14STC12C5A60S单片机引脚功能图无线充电电动牙刷需要通过按键来控制电动牙刷的开和关，当按下按键电动牙刷开始工作，再次按下按键时电动牙刷停止工作，因此需要使用单片机的中断机制，通过按键按下触发外部中断使得单片机将此时的工作状态反转。通过查询STC12C5A60S单片机的数据手册可知，该单片机的外部中断INT0和INT1引脚为第8引脚和第9引脚。本设计中是通过外部中断INT0作为中断触发引脚，因此将开关按键接至INT0引脚，另一侧接地，如图3-15所示。图3-15STC12C5A60S单片机控制电路2.4电机驱动电路原理磁悬浮电机需要驱动电路才能通过单片机进行控制，本设计中通过DRV8833双通道H桥电机驱动器对磁悬浮电机进行驱动。该芯片具有两个H桥驱动器，每个H桥的输出驱动器模块由配置为H桥的N沟道功率MOSFET和P沟道功率MOSFET组成，用于驱动电机绕组，每个H桥均具备调节和限制绕组电流的电路。DRV8833芯片引脚图如图3-16所示：图3-16DRV8833芯片引脚图单片机系统将脉冲信号输入AIN1、AIN2或BIN1、BIN2引脚,控制H桥中的N沟道功率MOSFET和P沟道功率MOSFET开通和关断,通过AOUT1、AOUT2或BOUT1、BOUT2进行输出，驱动磁悬浮电机