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【每日方案】如何进一步提高电动牙刷系统稳定性(下篇)

原标题:【每日方案】如何进一步提高电动牙刷系统稳定性(下篇)

作者:聚丰开发 戴上举 马坤

我们接着讲直播中的两份电动牙刷的原理图,来看看这两份原理图有哪些地方可以做适当优化。

图4.电动牙刷参考原理图一

图4-1位置我们假定MOTA电压为3V,忽略U3内阻影响,MOTA电压经过R9、R11分压后加到U3第2脚上电压为3V*10K/(1K+10K)=2.73V,如果我们把R9移到R11的右边,加到U3第2脚上电压变为3V,电压值增高,对于这里驱动芯片,驱动脚电压越高,导通越彻底。

图4-2和图4-3位置的LED灯是IO口输出高电平时点亮LED,对于单片机的IO口,输出电流能力通常都会小于输入灌电流能力,建议是把这些LED灯改为IO口接负极驱动,输出低电平时点亮。

图5.电动牙刷参考原理图二

图6.电动牙刷参考原理图二局部

图5-4的LED驱动方式建议也改成IO口低电平点亮方式。

图5-1的电池电压分压采样电路要合理选择分压电阻阻值,单片机的ADC口实际上是有内阻存在的,相当于在R4上并联了一个Radc,Radc的阻值比较大,当R3、R4阻值小的时候,可以忽略其影响,如果R3、R4阻值过大,就需要考虑Radc的影响。

假定Radc=1M、VCC=3V

如果R3=10K、R4=20K

Radc和R4并联电阻为1M*20K/(1M+20K)=19.6K

则VBAT=3V*19.6K(10K+19.6K)=1.97V

和理论值2.0V偏差0.03V(1.5%)

如果R3=100K、R4=200K

Radc和R4并联电阻为1M*200K/(1M+200k)=166.7K

则VBAT=3V*166.7K(100K+166.7K)=1.88V

和理论值2.0V偏差0.12V(6%)

从计算结果可以看出,R3、R4阻值越大,ADC测量的偏差也越大,为保证测量精度,程序需要对测量结果做出修正。根据实际经验,电阻越大,抗干扰能力就会约若,我们建议阻值控制在300K以内。另外我们知道普通电阻精度为5%,为保证测量精度,这里的R3、R4需要选用1%精度电阻。

既然R3、R4阻值大了会影响ADC测量结果,那我们让R3、R4选用小的阻值不是解决问题了吗?如果R3、R4阻值小,会带来一个新的问题,这两个电阻是直接连接在电池两端,始终处于耗电状态,电阻小就会导致待机电流大。

假定电池有效电压范围为2.6-4.2V

如果R3=10K、R4=20K

静态电流最小值为2.6V/(10K+20k)=86.7uA

静态电流最大值为4.2V/(10K+20k)=140uA

如果R3=100K、R4=200K

静态电流最小值为2.6V/(100K+200k)=8.67uA

静态电流最大值为4.2V/(100K+200k)=14uA

再来看下图5-2部分,分析电路图应该是IO口nSLEEP可以控制充电指示灯D7的亮灭,当nSLEEP输出高电平时,三极管Q2导通,DT位置被拉低,D7无法点亮。我们建议修改成图6右下角所示电路,可以节省一个二极管。

根据墨菲定律,只要有可能发生的事情,就一定会发生,单片机产品最担心的就是死机,死机的原因可能是硬件的、也有可能是软件的,可以说是无法杜绝。电动牙刷成品完全密封,一旦死机,如果没有预防措施,很有可能就是整个牙刷报废。

电池容量700mAH,假定死机时工作电流是3mA,理论上讲要233小时后才能把充满电的电池电量耗完,差不多是10天时间。要是一只电动牙刷10天时间都不能使用,我想谁都会认为这只电动牙刷坏了,实际上它只是昏死过去,10天后会苏醒过来的。

解决死机的方法有许多种,最简单的就是增加一个看门狗芯片,一段时间没有喂狗看门狗电路就会输出复位信号,我们只要按照看门狗芯片的规格书设计电路即可有效解决系统死机问题。

本文的主要目的是和工程师朋友分享如何解决问题的思路,这种思路不一定是最简单实用,但通过这种思路分析我相信是能够提高工程师工作技能的。现在我们来分析电动牙刷,外壳完全密封,单按键设计,增加复位按键的可行性偏低。

既然不能增加复位按键,那能通过什么操作让电动牙刷从昏死状态苏醒过来呢?单片机已经死机,按键肯定失效,我们也不能去摔电动牙刷,就算可以摔,摔也不能让电动牙刷苏醒。

我们对电动牙刷的操作只有按键和插进充电底座两种,来看看插进充电底座有没有可能让牙刷苏醒。

图7. 充电复位触发电路图

图7我们对无线充电接收部分做了一点修改,增加了红色部分,当电动牙刷没有插到充电底座上时,VCHG电压应该为0V,现在把电动牙刷插到底座上,VCHG电压会迅速上升(这点没有做测试验证),VCHG通过D11、C11、R12路径对C11进行充电,一开始三极管Q11基极电压等于VCHG,Q11导通,RST输出低电平。三极管Q11基极电压随着C11的充电过程会逐渐降低,当三极管基极电压低于0.5-0.7V时,三极管关断,RST输出高电平。

通过上面分析可以看出,增加的红色部分电路在把电动牙刷插到充电底座上面的过程中,RST位置会输出一个低电平脉冲。我们可以利用这个低电平脉冲来复位系统,如果遇到电动牙刷昏死过去的状况,只需要我们把电动牙刷在充电底座上插拔一次就能苏醒。

如果MCU的复位脚功能可靠,把RST连接到复位脚,如果没有复位脚或者复位脚不可靠,也可以用RST脚来控制电源的通断,限于篇幅,今天不对电源通断控制电路做分析。至于软件上如何增强系统的稳定性,后面有我们再找机会用实际代码来对产品进行改进分析。

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