百味勺子——硬件设计篇

Posted 2021-08-31 三明治开发社区

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了百味勺子——硬件设计篇相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

百味勺子

一、背景介绍

2013年，新加坡国立大学实验室的研究人员公开了一款合成味觉的交互设备原型，它可以通过电流和温度来模拟人类几种原始味觉。

原来，人类在进食的时候，舌头味蕾会产生相应的生物电，并传到大脑，让大家食而知其味。这款设备的原理也有几分相似：通过不同的电流和温度刺激，来产生一些原始的味道，比如说酸甜苦咸。

对于不同的人类原始味觉，它们需要什么样“参数”来“欺骗”大脑呢？大致如下：

味道	电流&温度参数
咸味	20-50uA的低频率电流
酸味	60-180uA的电流、舌头温度从20℃上升到30℃
甜味	反向电流、舌头温度先升到35℃，再缓慢降低至20℃
苦味	60-140uA的反向电流
辣味	温度从33℃加热至38℃
薄荷味	温度从22℃下降至19℃

二、概述

随着美食类节目越来越得到大众的认可，越来越多的爱好者也纷纷开始加入美食博主之类的行列。看着屏幕里色泽诱人，香气氤氲的美食，屏幕前的大家直流口水，恨不得马上飞到旁边试吃。所以，当收看这类节目，大家时常感叹，为什么吃不到这些美食，好痛苦啊！！！

不要急，机会来啦，涂鸦智能开发者团队开发出了一款智能设备——百味勺子，从电流，温度等方面刺激舌头，让大脑模拟出对应的味觉，使在家就能品尝到世界各地的美食。

当然，通过百味勺子，可以在不吃到食物的情况下，体验到巧克力、蛋糕等高热量食品的味道，实属减肥利器。

另外，对于一些被高血压，糖尿病所困，无法摄入特定食物的病人，百味勺子也可以从另一方面提高他们的生活质量。

当病人要服用非常难吃的药的时候，可以通过百味勺子来进行味觉欺骗。

怎么样，是否有点心动？

想品尝一下迪拜酒店提供的榴莲千层蛋糕？想吃一下出自日本神厨之手的M8和牛烤肉？想试试Caviar House & Prunier出品的鱼子酱？

来吧，涂鸦帮你实现愿望！

三、硬件设计

1.主控单元

主控芯片选择涂鸦智能开发的嵌入式蓝牙模组。

2.电源管理系统

百味勺子为了做到整体小巧精致，方便携带，因此在电源方面，建议选择能量比高，自放电率低的锂电池供电。

为了安全管理锂电池充电放电，使锂电池工作寿命更长，大家还专门设计了一套电源管理电路。

芯片方面，大家可以使用业内常用的TP4056芯片。这是一款恒定电流/恒定电压线性充电芯片，采用了内部 PMOSFET 架构，内置防倒充电路。芯片具有热反馈功能，可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值 1/10 时，TP4056 将自动终止充电循环。

电路原理图如下

V_IN为USB输入的5V电压，V_BAT连接锂电池的正极（锂电池的负极记得连GND），CE脚是芯片使能端，只有CE脚高电平的时候，TP4056才会正常工作。

STDBY脚是电池充电完成指示端。当电池充电完成时，该脚被内部开关拉到低电平，表示充电完成。除此之外，该管脚都将处于高阻态。
CHRG脚是漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，该管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则该管脚处于高阻态。

因此，开发者可以在STDBY和CHRG脚分别加了绿色和红色两个LED。这样，当锂电池正在充电时，红灯点亮，当充电完成，绿灯点亮。

PROG脚是恒流充电电流设置和充电电流监测端。从 PROG 管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段，此管脚的电压被调制在 0.1V；在恒流充电阶段，此管脚的电压被固定在 1V。在充电状态的所有模式，测量该管脚的电压都可以根据下面的公式来估算充电电流Ibat=1200*Vprog/Rprog。

为了防止大电流充电，芯片和电池温度上升，开发者把充电最大电流设置为0.8A。根据公式可知，Rprog=1200*Vprog/Ibat。

其中Ibat取0.8A，Vprog取1V，计算得Rprog=1.5K欧姆。如果开发者想加大电流，在此基础上适当减小Rprog电阻即可。

TEMP脚是电池温度检测输入端。将TEMP 管脚接到电池的 NTC 传感器的输出端。如果 TEMP 管脚的电压小于输入电压的45％或者大于输入电压的 80％，意味着电池温度过低或过高，则充电被暂停。如果 TEMP 直接接 GND，电池温度检测功能取消，其他充电功能正常

这里为了减少开发周期，开发者可以将R16或者R14焊0欧姆电阻，取消该功能。如果开发者希望启用，可以联系涂鸦智能，涂鸦智能会提供专业技术支持进行帮助。其他详情点击这里查看TP4056数据手册

3.电流调制系统

百味勺子的核心就是产生一定大小和频率的电流，刺激人体舌头，模拟产生味觉，因此可靠稳定的电流调制系统非常重要。

电流调制主要有两部分组成，一个是电流频率的调制，一个是电流大小的调制。涂鸦工程师经过反复测试验证，设计出了下面这款电路：

由于锂电池一般只有3.6V左右，而后面要用到的数字电位器工作电压推荐为5V，另外负载条件下满足恒流输出，3.6V的裕量可能也不够，因此，开发者需要先进行升压操作。

升压芯片，开发者可以采用TI的LM2733X系列芯片。该芯片内置40V DMOS FET ，开关频率高达1.6MHz，输出电流可达1A。它的输入电压范围很宽，2.7V~14V均可，锂电3.6V电平完全满足它的要求。详情点击这里查看LM2733X数据手册

根据手册可知，LM2733X输出电压Vout=Vfb*（1+R5/R1），其中Vfb的典型值为1.23V。开发者需要调制R1和R5的阻值，使得输出在5V附近。这里R1选择10K，R5选择33K，这样计算出Vout大约为5.3V左右。开发者也可以根据自己的需要，升压至别的电压点，但是不要超过7V，原因是数字电位器工作耐压为7V，超过7V会损坏器件。

接下来是频率调制电路，开发者可以通过两个不同沟道的MOS管，组合成一个控制电路。

当S_tongue信号为高电平时，Q5 MOS管导通，电流允许通过Q5，给后面的电路供电，；
当S_tongue信号为低电平时，Q5 MOS管截至，Q5后面的器件停止工作，没有输出。

通过控制S_tongue信号的周期和占空比，开发者可以实现后端负载电压的频率控制，从而实现负载电流的频率调制。

电流大小调制阶段，开发者可以采用一颗LDO和一颗数字电位器。

U2是比较常用的LDO，型号为AMS1117-33，这是一个正向低压降稳压器，内部集成过热保护和限流电路，最大可以输出1A电流，输入电压最高允许12V，输出稳压到3.3V，输出精度误差仅在1%以内。详情点击这里查看AMS1117数据手册

U7数字电位器开发者可以采用X9C104SIZT1，它是一种数控可编程的电阻器，可以采用数控方式调节电阻值，具有调节精度高、低噪声、抗干扰、无机械磨损等显著优点，是电流调节电路中的关键器件。

数字电位器一般由输入控制，计数控制和译码，非易失性存贮器及电阻阵列三部分组成。输入控制部分的工作就像一个升/降计数器。这个计数器的输出被译码而接通一个单接点的电子开关，以便把电阻阵列上的一个点接到滑动输出端。在适当的条件下，计数器的内容可以贮存在非易失性存贮器中并保持以便今后使用。电阻阵列包含99 个单独的电阻，他们以串联的形式连接。在二个终端端点以及每个电阻之间都有一个电子开关，可将该点的电位传输到滑动端。

RH和RL等效于一个机械电位器的固定端。
RW是滑动端，等效于一个机械电位器的可移动端。滑动端在电阻阵列中的位置由控制输入脚决定。
U/D是升/降输入脚，用于控制滑动端移动的方向。
INC是增加输入脚，由负边沿触发。触发INC将使滑动端向计数器增加或减少的方向移动，移动的方向由U/D端输入的逻辑电平决定。

其他详情点击这里查看X9C104SIZT1数据手册

电流大小调制的原理如下：

当电流调制电路工作时，LDO的R+和R-两端的电压大小为Vref，为3.3V，R+和R-两端的电阻大小为U2数字电位器接入电阻的大小Rs。

这样，可以计算出LDO的R+和R-两端流经的电流大小Is=Vref/Rs。

流经负载端的总电流I=Is+Iss。

其中Iss为LDO的静态漏电流，方向由LDO的公共端流向GND，不同型号的LDO，Iss也存在差异，但是由于Iss比较小，与Is相比可以忽略。

因此，流经负载端的总电流可以简化为I≈Is=Vref/Rs。

由公式可知，当LDO选型确定后，Vref为定值，开发者只需通过程序改变Rs的阻值，即可调节系统的输出电流大小。

而舌头就放在J5的位置啦。

4.温度控制系统

温度控制系统主要分为加热部分和温度检测部分。原理图如下：

加热器件选择市面上常用的PI聚酰亚胺电热膜，它是一种三明治结构的半透明金属柔性电热膜，以金属箔﹑金属丝为内导电发热体，经高温高压热合而成。聚酰亚胺薄膜电热膜具有优异的绝缘强度，抗电强度，热传导效率，电阻稳定性，这使得它能够广泛地适用于加热领域并能够获得相当高的温度控制精度。开发者可以选择带胶的PI电热膜，直接贴在PCB板子上，如上图，把电热膜的引脚焊接在J3位置。

Q2为P沟道MOS管，Q3为N沟道MOS管，工作原理如下：

当S_Heat信号为高电平时，Q2 MOS管导通，J3处的电热膜开始加热；
当S_Heat信号为低电平时，Q2 MOS管截至，J3处的电热膜停止加热。

想做到温度控制，除了加热之外，当然还需要温度检测。这部分，开发者可以采用TI的TIMP75数字温度传感器。

它是负温度系数 (NTC) 和正温度系数 (PTC) 热敏电阻的理想替代产品，支持SMBus™、两线制和 I2C 三种接口，在-40°C 至 125°C 范围内精度为 ±1°C。 TMP75静态电流只有50μA，待机电流只有0.1μA。该器件无需校准或外部组件信号调节即可提供典型值为 ±1°C 的精度。器件温度传感器为高度线性化产品，无需复杂计算或查表即可得知温度。片上 12 位模数转换器 (ADC) 提供低至 0.0625°C 的分辨率。详情点击这里查看TMP75数据手册

至此，核心电路基本如上描述，接下来可以根据自身的需求和创意，增加一些小功能，比如LED呀，按键呀，USB通信呀之类。

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