esp-toothbrush 硬件原理图介绍

发布于:2024-08-17 ⋅ 阅读:(82) ⋅ 点赞:(0)

前言

  1. 个人邮箱:zhangyixu02@gmail.com
  2. 项目视频链接

硬件介绍

电池管理

(1)我们项目采用 TP4056 电源芯片给锂电池充电。因为我们采用的是 3.7V 锂电池,通过插上 USB 接口 5V 供电。通过查看TP4056芯片手册的典型应用可知,该芯片是满足要求的。

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(2)通过典型应用,我们基本可以知道该芯片原理图大体如何进行设计。但是,我们会根据自己的情况来进行调整。例如在典型应用中,他们是使用两个发光二极管用于显示充电状态。

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(3)而我们电动牙刷有一个 LCD 显示屏,同时电池的电量会反应在电压上,当电池满电时电压为 4.2V ,当电压为 2.7V3.0V 左右时,电量基本是快没有了,此时再使用电池,将会对电池产生损坏。因此,我们可以使用 ADC 功能来读取电压值来推断出此时的电量百分百,同时通过 CHRG 引脚辅助获知电池充电状态和有无,之后在 LCD 显示屏上进行显示。

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(4)关于 PROG 引脚的 R P R O G R_{PROG} RPROG 电阻阻值选取,各位可以根据自己选定的电池充电最大电流来进行选取。我们这里选取的是 2.2K 电阻,充电电流大约为 500mA

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(5)可以通过 TEMP 引脚获知当前电池温度,我们不需要该功能,因此进行删除。最终的电路如下

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LDO稳压

(1)我们选取的 LDO 稳压芯片为 HE9073A33M5R 。我们通过阅读HE9073芯片手册可知该芯片的输入电压范围为 2-7V 能够稳压到 3.3V ,而且该芯片的功耗很低,符合我们项目需求。

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(2)我们看官方提供的 Typical Application Circuit,如下图,因此我们即可设计出自己的 LDO 稳压电路。

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USB转串口

(1)如下为一个标准的USB转串口 原理图。这里是直接参考的曾经的 ESP32 相关开发板的。

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LCD显示屏

(1)因为我们的 LCD 是外接的 SPI 显示屏,因此需要根据外接显示屏的引脚进行设计,因此原理图如下:

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电机控制

(1)电机控制,我们采取的驱动芯片是 TC118S。该芯片主攻应用就是电动牙刷,而且是国产芯片,技术文档均为中文,相对友好。
(2)我们采用的电池为 3.7V 锂电池,而 3.7V 锂电池满电状态下为 4.2V。 根据 TC118S 技术文档可知,3V 以上建议使用 1uF 电容,4.5V 使用 4.7uF 电容。综合考虑,我们 VDD 最终使用4.7uF 电容进行滤波。

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(3)因此,最终我们电机控制的原理图如下:

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无源蜂鸣器

(1)蜂鸣器分无源蜂鸣器有源蜂鸣器两种。有源蜂鸣器的控制简单,但是声音单调且尖锐。没有人希望自己刷牙的时候,牙刷声音嘎嘎难听,因此我们选用无源蜂鸣器能够通过 PWM 控制,来产生想要的音频效果。
(2)无源蜂鸣器使用一个 NPN 型三极管来控制蜂鸣器。该三极管使用 R13 作为下拉电阻使得基极默认低电平,R14 作为限流电阻防止基极电流迅速增大导致三极管损坏。BEEP 引脚输出高电平,三极管导通。
(3)我们通过控制 BEEP 输出 PWM 能够让该蜂鸣器产生特定的音符,最终产生悦耳的声音。

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按键

(1)根据 《ESP8684 系列芯片规格书》 2.4 Strapping 管脚章节 介绍可知,当 GPIO9=0,GPIO8=1时,芯片会进入下载启动模式。

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(2)根据后面的ESP8684-MINI-1外围电路设计介绍部分我们知道, GPIO8 会通过 10k 限流电阻上拉至高电平。因此,我们决定使用 GPIO9 作为按键引脚。这样按键在芯片启动时候可以用来选择启动模式,在芯片启动完成后又可以当做普通按键使用,一举两得。

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(3)我们的按键并联一个 104 的电容用于按键消抖,这样软件程序编写会更加简单。因此电路如下:

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自动下载电路

(1)ESP32的自动下载电路介绍起来相对复杂,感兴趣的可以看看这篇博客:论ESP32自动下载电路

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ESP8684-MINI-1电路

ESP8684-MINI-1与ESP32C2关系

(1)我们该项目是采用的 ESP32C2 系列的芯片,使用的是 ESP8684-MINI-1 模组。
(2)对于乐鑫的模组和芯片关系不太了解的,可以看看这篇博客:芯片、模组、开发板的区别与联系-结合ESP32浅谈
(3)关于乐鑫的芯片选型,可以查阅:乐鑫芯片

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ESP8684-MINI-1外围电路设计介绍

(1)该项目是基于 ESP8684-MINI-1 模组进行的项目设计。因此,我们需要知道 ESP8684-MINI-1 模组的必备资源和可用资源进行了解。
(2)首先我们来看看乐鑫官方提供的 ESP8684-MINI-1 模组技术规格书6 外围设计原理图章节。

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(3)我们可以看到,进行模组外围电路设计,就需要先去理解该原理图。首先,我们看到该原理图中有 UART 接口、复位引脚、 BOOT 选择接口、 JTAG 接口,还有 C1、C2、C3、R1 组成的延迟电路。
<1>因为要确保 ESP8684 芯片上电时的供电正常,EN 管脚处需要增加 RC 延迟电路。RC 通常建议为 R = 10 kΩC = 1 µF 。因此延迟电路设计如下:

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<2>该项目作为一个电动牙刷项目,对体积存在一定的要求。因此,我们决定把 JTAG 接口删除,用于普通 IO 口使用。
<3>该项目选择保留 UART 接口。

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<4>复位引脚、 BOOT 选择接口在前面的自动下载电路中进行了介绍,因此不再赘述。不过需要注意, IO8 会通过一个 10K 限流电阻上拉至高电平。因此最终的 ESP8684-MINI-1 设计如下:

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参考

  1. TP4056芯片手册
  2. HE9073芯片手册
  3. TC118S 技术文档
  4. 《ESP8684 系列芯片规格书》
  5. C站:论ESP32自动下载电路
  6. C站:芯片、模组、开发板的区别与联系-结合ESP32浅谈