【应用】基于瑞萨R7F0C807低功耗微控制器的无线充电电动牙刷设计

2018-05-31 Renesas

系统功能概述

无线充电电动牙刷包含了两个方面的应用:无线充电管理及电动牙刷控制。


无线充电技术是利用近场电磁感应原理,发射端将电能转化为电磁波发射给接收端,接收端的线圈利用变化的磁场产生电流 ,实现对用电设备充电的目的。


电动牙刷与传统的牙刷相比,有着更加科学有效的清洁及牙齿保健的作用。电动牙刷按照工作原理大体可以分为两类:低端的电机旋转式电动牙刷和高端的磁芯结构声波式电动牙刷。后者较之前者,具有可控制力度,摆动方向及高频的优点。本方案是针对后者的应用开发。


电动牙刷的控制板外观如下图所示:

    


操作说明

无线充电电动牙刷主体电路包含一个模式转换按键、五个工作模式指示 LED 和一个用于电量指示的红绿双色LED。


1) 在电量处于满电压状态(大于或等于 4.1V)的情况下:

a.按下模式转换按键,绿色电量指示灯常亮,提示电量充足,同时第一个牙刷模式指示灯点亮——提示牙刷处于“清洁”模式;

b.再次按下模式转换按键,第二个牙刷模式指示灯点亮——提示牙刷处于“美白”模式,牙刷头的摆动力度有轻微的由强变弱再逐渐增强的力度变化;

c.再次按下模式转换按键,第三个牙刷模式指示灯点亮——牙刷处于“打磨”模式,牙刷头的摆动力度明显增大,并且力度变化变快;

d.重复上述按键操作,进入“牙龈保健”模式下,第四个牙刷模式指示灯点亮,较之前一种模式,牙刷头以无变化的恒定力度摆动;

e.再次进行按键操作,进入最后一种“敏感”模式,第五个牙刷模式指示灯点亮,牙刷头以最小恒定力度摆动;

f.再次按下按键,牙刷处于待机状态。

继续上述按键操作,a~f步骤可重复进行


2) 在电量处于非满电压状态(小于 4.1V 大于或等于 3.2V)的情况下,绿色电量指示灯“呼吸”闪烁,提示牙刷应该充电了,但以上几种牙刷操作模式仍然可以正常工作。 


3) 在电量处于欠电压状态(小于 3.2V)的情况下,红色电量指示灯“呼吸”闪烁,此时牙刷不能正常工作,请立即充电,再次按下按键,牙刷切换至待机状态。

4) 牙刷在充电的情况的下,模式转换按键无效,绿色电量指示灯“呼吸”闪烁,提示牙刷处于充电状态;直至充电至满电压状态,绿色指示灯常亮,提示牙刷充电充足。


R7F0C807系列MCU

R7F0C807及R7F0C806/808/809系列微控制器采用了RL78内核,在该类产品上同时实现了高速处理性能与最低的功耗,并且拥有一系列低引脚数的广阔产品阵容。


R7F0C806/807/808/809系列微控制器高精度±2%片上振荡器(TA = 0 + 40℃)使CPU运行达到20 MHz成为可能,同时内置了可选上电复位和看门狗定时器等功能,有助于系统实现更紧凑的尺寸和低功耗,使整个系统搭建成本更低。


此外,R7F0C806/807内置实时输出控制电路,通过定时器的PWM输出方式可以同时实现8通道输出。有助于客户进行无刷直流电机控制和步进电机控制 (同一时间控制两个)开发。而R7F0C808/809的内置大电流驱动端口可以直接驱动六位数字LED字符(最多48个LED),更适合于任何等级的 LED显示以及触摸按键控制LED闪烁应用。


该系列微控制器具有20个引脚的SSOP和SOP封装,以及4KB至8KB的闪存阵容,因此更适合于像无线充电电动牙刷这样的小型家用电器以及通用消费产品应用

 

关键特性:

1)超低功耗

VDD=2.4~5.5V的单电源

HALT模式

STOP模式

最短指令执行时间:能在高速(0.05 μs: 以高速内部振荡器时钟20MHz运行时)到超低速

 

2)高速内部振荡器

可从20MHz/10MHz/5MHz/2.5MHz/1.25MHz中选择

高精度±2.0% (VDD=2.4~5.5V、TA=-0~+40°C)

 

3)电源管理和复位功能

内置可选择的上电复位(SPOR)电路

 

4)I/O端口

I/O端口:18个(N沟道漏极开路输出 [VDD耐压]:14个)

能进行N沟道漏极开路、内部上拉的切换

内置键中断功能

内置时钟输出/蜂鸣器输出控制电路


硬件说明

电动牙刷主体电路板如下图所示:


无线充电电动牙刷的硬件结构框图如所示。无线充电电动牙刷主要由:充电控制电路,磁芯结构控制电路,电池电压及充电状态指示LED,牙刷模式指示LED, EEPROM,模式转换按键及主控芯片R7F0C807构成。

 


充电控制电路

充电控制电路主要由电磁感应次级线圈,全桥整流二极管及三极管开关控制电路组成。

P137/INTPO管脚用来检测充电信号,从而判断当前牙刷是否处于充电状态。

P00管脚用来控制三极管开关电路的通断,结合脉宽调制,可实现对充电电流的大小调节。当P00管脚为高电平时,整流后电流的流向如图中红色箭头所示,直接供给电池充电;当P00管脚为低电平时,整流后电流流向如图中蓝色箭头所示,将流回充电电流供给方,最大程度避免电能损耗浪费


磁芯结构驱动电路

双P沟道MOSFET及双N沟道MOSFET构成磁芯结构的全桥驱动电路。

图中网络标号P_G1与N_G2所标示的两个管脚具有相同的驱动信号PWM1,网络标号P_G2与N_ G1所标示的管脚具有相同的驱动信号PWM2,  PWM1与PWM2是两个具有相同周期、占空比但存在相位偏移的信号。

全桥驱动电路同样输出的两个相位偏移的PWM信号PWM3及PWM4,其中PWM3与PWM1互补,PWM4与PWM2互补,在PWM3与PWM4的作用下,磁芯结构产生交替变化的磁场,驱动牙刷机械传导部分底部的左右磁翅交替吸合,通过机械传导使牙刷头产生高频摆动的效果。


软件流程

无线充电电动牙刷程序运行的状态机如下图所示:


主函数的流程如下图所示:




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