一种洗牙器缺水保护电路及方法与流程

本发明涉及一种保护电路技术领域，更具体地说，涉及一种洗牙器缺水保护电路及方法。

背景技术：

目前市场上的手持式洗牙器常为水箱式结构，这种结构的水箱虽然在一定程度上方便了使用和携带，但仍然存在诸多缺陷：在使用过程中，如果水箱中的水用完，则洗牙器内部电动机处于空载状态，此时电动机电枢电流较大，如果不及时关掉洗牙器，一方面会造成机器长时间运转，耗费电量；另一方面，较大的空载电流会使得洗牙器内部部件发热，减少电动机的使用寿命。除此之外，目前市面上所销售的大多数手持式洗牙器都没有缺水保护功能，需要手动关机来切断电源和电动机，或采用专用的传感器或器件来检测缺水，如此必然增加硬件负担。因此迫切需要一种可以在缺水时自动关机或切断电动机电源的电路及方法，能够使洗牙器在缺水时得到及时的关断保护。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的所要解决的问题在于提供一种具有实时保护特性的洗牙器缺水保护电路及方法。目前市场上的手持式洗牙器常为水箱式结构，这种结构的水箱虽然在一定程度上方便了使用和携带，但仍然存在诸多缺陷：在使用过程中，如果水箱中的水用完，则洗牙器内部电动机处于空载状态，此时电动机电枢电流较大，如果不及时关掉洗牙器，一方面会造成机器长时间运转，耗费电量；另一方面，较大的空载电流会使得洗牙器内部部件发热，减少电动机的使用寿命。除此之外，目前市面上所销售的大多数手持式洗牙器都没有缺水保护功能，需要手动关机来切断电源和电动机，或采用专用的传感器或器件来检测缺水，如此必然增加硬件负担。因此迫切需要一种可以在缺水时自动关机或切断电动机电源的电路及方法，能够使洗牙器在缺水时得到及时的关断保护。

2.技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：

一种洗牙器缺水保护电路及方法，其包括微控制单元、整机供电系统、电机驱动单元、电压检测单元、电压比较单元。所述微控制单元，使用一块微控制单元(mcu)，用于手持式洗牙器的整机逻辑功能的实现，这里同样作为洗牙器缺水保护电路及方法功能实现的微控制单元；所述整机供电系统为整机功能实现提供能量；所述电动机驱动单元为手持式洗牙器内部电动机提供合适的工作条件；所述电压检测单元，用于采集电池两端的电压信号，并将采集到的电压信号输送给电压比较单元与预设的参考电压进行比较；所述的电压比较单元，其结构为一电压比较器，将采样电压与预设电压比较后输出一电压信号给mcu，mcu根据该电压信号产生的中断来停止给电动机供电并给出水箱需要补水的提示信号。

优选地，所述的洗牙器缺水保护电路包括有：整机供电电压vbat、电动机焊接点pd1和pd2、nmos管u6(u1)、肖特基二极管d1、肖特基二极管d2、肖特基二极管d3、肖特基二极管d4、开关s1、开关s2、开关s3、单片机限流电阻r1(r1)、栅极g、下拉电阻r2(r2)、取样电阻r3(r3)、电阻r4(r4)、电容c1(c1)。肖特基二极管d1的5脚，肖特基二极管d2的6脚，肖特基二极管d3的7脚，肖特基二极管d4的8脚与肖特基二极管d3和电动机相连。栅极g的4脚与单片机限流电阻r1和下拉电阻r2相连，下拉电阻r2接地。开关s1的1脚、开关s2的2脚、开关s3的3脚与电阻r4和取样电阻r3相连，取样电阻r3接地，同时还包括电压检测单元和电压比较单元部分电路。

优选地，所述的电压检测单元包括两组射极跟随器u1a和u1b，一个运算放大器u1c，和电阻r11、r12、r13、r14、r15、r16，其中r11和r12用来拉高基极电压，使得电压检测单元获取的采样电压处于一个合理的区间范围内(0～3.3v)，其中，射极跟随器u1a连接取样电阻r3的一端，射极跟随器u2a连接拉高的基极电压，则输出为取样电阻一端经过处理后的采样电压。

优选地，所述的电压比较单元包括电压比较器u2a，所述比较器u2a的正向输入端与mcu连接，其正向输入端电压为根据产品设计的预设电压值，比较器u2a的反向输入端与电压检测单元的输出端相连接，比较器u2a的输出端与mcu相连，则其会根据正向输入端和反向输入端电压的相对大小输出0或1，这一电压信号被mcu采集后，相应地微控制moto_en电压的高低。

优选地，2所述的电池电压vbat经过电动机，nmos管u6，取样电阻r3到地。通过单片机微控制moto_en的高低电平，从而微控制nmos管u6的导通和关断，实现电动机的开与关。

优选地，所述的肖特基二极管d3为电动机电动势泄放回路，下拉电阻r2为nmos管u6提供稳定的下拉，保证单片机在关闭状态，nmos的g极处于拉低关闭状态，确保nmos的稳定性。

优选地，所述的电动机正常工作时电流经过取样电阻r3到地，在取样电阻r3上产生电压供单片机读取电压值

优选地，所述的电阻r4及电容c1组成rc滤波电路给单片机ad脚提供稳定的电压值。

优选地，所述的一种洗牙器缺水保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：电机工作前采集一次电池电压值v1；

步骤二：等待电机工作稳定；

步骤三：在输出中间断性采集电池电压v2；

步骤四：检测出v2一个检测周期内的最大值v2max与最小值v2min，以v2max-v2min为v2的变化量v3；

步骤五：若v1-v2小于设定值，且v3小于设定值则缺水关机；若v1-v2大于设定值，或则v3大于设定值，机器正常运行，继续运行第三步，循环往复，对电路起到保护作用。

优选地，所述的一种洗牙器缺水保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：等待电机工作稳定；

步骤二：在输出中间断性采集取样电阻r3的ad值v1；

步骤三：检测出v1一个检测周期内的最大值v1max与最小值v1min，以v1max-v1min为v1的变化量v2；

步骤四：若v1小于设定值，且v2小于设定值则缺水关机；若v1大于设定值，或则v2大于设定值，机器正常运行，继续运行第二步，循环往复，对电路起到保护作用。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：上述的一种洗牙器缺水保护电路根据电压取样电阻一侧的电压变化来判断水箱内部状态，电动机在水箱有水和无水两种状态工作时具有不同的工作电压和电流，此时采样电阻一侧的电压值会随之发生显著变化，故电压检测电路采样得到的电压采样值可以作为判断的依据。在使用过程中，如果水箱中的水用完，则洗牙器内部电动机处于空载状态，此时电动机电枢电流较大，如果不及时关掉洗牙器，一方面会造成机器长时间运转，耗费电量；另一方面，较大的空载电流会使得洗牙器内部部件发热，减少电动机的使用寿命。除此之外，目前市面上所销售的大多数手持式洗牙器都没有缺水保护功能，需要手动关机来切断电源和电动机，或采用专用的传感器或器件来检测缺水，如此必然增加硬件负担。因此迫切需要一种可以在缺水时自动关机或切断电动机电源的电路及方法，能够使洗牙器在缺水时得到及时的关断保护，而本发明的设计合理地解决了这个问题，提高了手持式洗牙器的性能和寿命，同时节约了成本。

附图说明

图1为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法的结构框图；

图2为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法的电路原理图；

图3为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法实施例1的电路原理图；

图4为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法实施例2的电路原理图；

具体实施方式

为进一步了解本发明的目的、技术方案和优点，现结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，洗牙器缺水保护电路包括微控制单元，整机供电系统、电机驱动单元、电压检测单元、电压比较单元；所述微控制单元，使用一块微控制单元(mcu)，用于手持式洗牙器的整机逻辑功能的实现，这里同样作为洗牙器缺水保护电路及方法功能实现的微控制单元；所述整机供电系统为整机功能实现提供能量；所述电动机驱动单元为手持式洗牙器内部电动机提供合适的工作条件；所述电压检测单元，用于采集电池两端的电压信号，并将采集到的电压信号输送给电压比较单元与预设的参考电压进行比较；所述的电压比较单元，其结构为一电压比较器，将采样电压与预设电压比较后输出一电压信号给mcu，mcu根据该电压信号合理中断信号停止给电动机供电并给出给水箱补水的提示信号；具体地，所述微控制单元在本发明中主要控制moto_en这一使能端，一控制电机的运行状态，同时为电压比较单元中的电压比较器的负输入板端提供合适的预设电压值；所述电压检测单元在对取样电阻r4的一端电压进行采样，利用这一采样电压对系统进行控制；对于整机缺水保护功能的实现，具体地，包含以下实施例：

实施例一：

电动机在满载或空载下工作电流不同，因此流过取样电阻r3的电流大小不一样，会在取样电阻r3上产生不同的压降。单片机读取此电压值，可精准判断电动机工作状态。其中图3为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法实施例1的电路原理图。如图3所示：所述的洗牙器缺水保护电路包括有：整机供电电压vbat、电动机焊接点pd1和pd2、nmos管u6(u1)、肖特基二极管d1、肖特基二极管d2、肖特基二极管d3、肖特基二极管d4、开关s1、开关s2、开关s3、单片机限流电阻r1(r1)、栅极g、下拉电阻r2(r2)、取样电阻r3(r3)、电阻r4(r4)、电容c1(c1)。肖特基二极管d1的5脚，肖特基二极管d2的6脚，肖特基二极管d3的7脚，肖特基二极管d4的8脚与肖特基二极管d3和电动机相连。栅极g的4脚与单片机限流电阻r1和下拉电阻r2相连，下拉电阻r2接地。开关s1的1脚、开关s2的2脚、开关s3的3脚与电阻r4和取样电阻r3相连，取样电阻r3接地。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，所述的电压检测单元包括两组射极跟随器u1a和u1b，一个运算放大器u1c，和电阻r11、r12、r13、r14、r15、r16，其中r11和r12用来拉高基极电压，使得电压检测单元获取的采样电压处于一个合理的区间范围内(0～3.3v)，其中，射极跟随器u1a连接取样电阻r3的一端，射极跟随器u2a连接拉高的基极电压，则输出为取样电阻一端经过处理后的采样电压。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，所述的电压比较单元包括电压比较器u2a，所述比较器u2a的正向输入端与mcu连接，其正向输入端电压为根据产品设计的预设电压值，比较器u2a的反向输入端与电压检测单元的输出端相连接，比较器u2a的输出端与mcu相连，则其会根据正向输入端和反向输入端电压的相对大小输出0或1，这一电压信号被mcu采集后，相应地微控制moto_en电压的高低。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，所述的电池电压vbat经过电动机，nmos管u6，取样电阻r3到地。通过单片机微控制moto_en的高低电平，从而微控制nmos管u6的导通和关断，实现电动机的开与关；所述的肖特基二极管d3为电动机电动势泄放回路，下拉电阻r2为nmos管u6提供稳定的下拉，保证单片机在关闭状态，nmos的g极处于拉低关闭状态，确保nmos的稳定性；所述的电动机正常工作时电流经过取样电阻r3到地，在取样电阻r3上产生电压供单片机读取电压值；所述的电阻r4及电容c1组成rc滤波电路给单片机ad脚提供稳定的电压值。

参照图3，洗牙器缺水保护电路的工作过程如下：

mcu给moto_en高电压使能，电机正常工作，此时手持式洗牙器工作在有水状态，此时电枢电流较小，故采样点电压较高，比较单元的正输入端电压大于负输入端的预设电压，故电压比较单元给mcu一高电位电压信号使mcu控制电动机使能端moto_en使能，电动机正常工作；随着洗牙器的使用，其内部水箱水量消耗殆尽时，电动机处于空载状态，电压检测单元的采样电压降低，随之电压比较单元的正输入端电压快速降低，电压检测单元的的采样电压变化率增大至大于设定值，此时，比较器u2a的正输入端电压小于负输入端电压，故电压比较单元给mcu一低电位电压信号，使mcu降低使能端moto_en的电压，noms管随之关闭，电机停止工作。

实施例二：

电动机在满载或空载下工作电流不同，因此流过取样电阻r3的电流大小不一样，会在取样电阻r3上产生不同的压降。单片机读取此电压值，可精准判断电动机工作状态。其中图3为本发明的一种洗牙器缺水保护电路及方法实施例1的电路原理图。如图1所示：所述的洗牙器缺水保护电路包括有：整机供电电压vbat、电动机焊接点pd1和pd2、nmos管u6(u1)、肖特基二极管d1、肖特基二极管d2、肖特基二极管d3、肖特基二极管d4、开关s1、开关s2、开关s3、单片机限流电阻r1(r1)、栅极g、下拉电阻r2(r2)、取样电阻r3(r3)、电阻r4(r4)、电容c1(c1)。肖特基二极管d1的5脚，肖特基二极管d2的6脚，肖特基二极管d3的7脚，肖特基二极管d4的8脚与肖特基二极管d3和电动机相连。栅极g的4脚与单片机限流电阻r1和下拉电阻r2相连，下拉电阻r2接地。开关s1的1脚、开关s2的2脚、开关s3的3脚与电阻r4和取样电阻r3相连，取样电阻r3接地。

在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，所述的电压检测单元包括两组射极跟随器u1a和u1b，一个运算放大器u1c，和电阻r11、r12、r13、r14、r15、r16，其中r11和r12用来拉高基极电压，使得电压检测单元获取的采样电压处于一个合理的区间范围内(0～3.3v)，其中，射极跟随器u1a连接取样电阻r3的一端，射极跟随器u2a连接拉高的基极电压，则输出为取样电阻一端经过处理后的采样电压。

在本发明的一个优选实施例中，电压检测单元和电压比较单元之间需要连接一个减法运算电路，减法运算电路的正向输入端与采样电路的输出端相连，反向输入端与mcu相连，其电压值为电机正常工作时采样点的采样电压，减法运算路的输出端与电压比较单元相连。

在本发明的一个优选实施例中，所述的电压比较单元包括电压比较器u2a，所述比较器u2a的正向输入端与mcu连接，其正向输入端电压为减法电路的输出电压，反向输入端电压为根据产品设计的预设电压值，比较器u2a的输出端与mcu相连，则其会根据正向输入端和反向输入端电压的相对大小输出0或1，这一电压信号被mcu采集后，相应地微控制moto_en电压的高低。

在本发明的一个优选实施例中，所述的电池电压vbat经过电动机，nmos管u6，取样电阻r3到地。通过单片机微控制moto_en的高低电平，从而微控制nmos管u6的导通和关断，实现电动机的开与关；所述的肖特基二极管d3为电动机电动势泄放回路，下拉电阻r2为nmos管u6提供稳定的下拉，保证单片机在关闭状态，nmos的g极处于拉低关闭状态，确保nmos的稳定性；所述的电动机正常工作时电流经过取样电阻r3到地，在取样电阻r3上产生电压供单片机读取电压值；所述的电阻r4及电容c1组成rc滤波电路给单片机ad脚提供稳定的电压值。

参照图4，洗牙器缺水保护电路的工作过程如下：

mcu给moto_en高电压使能，电机正常工作，此时手持式洗牙器工作在有水状态，此时电枢电流较小，故采样点电压较高，与减法电路一端的预设值相近，此时减法电路的输出接近0，使得比较单元的正输入端电压小于负输入端的预设电压，故电压比较单元给mcu一高电位电压信号使mcu控制电动机使能端moto_en使能，电动机正常工作；随着洗牙器的使用，其内部水箱水量消耗殆尽时，电动机处于空载状态，电压检测单元的采样电压降低，采样电压变化率大于设定值，同时采样电压与减法运算电路一端的预设值相差较大，随之电压比较单元的正输入端电压快速升高，此时，比较器u2a的正输入端电压大于负输入端预设电压，故电压比较单元给mcu一低电位电压信号，使mcu降低使能端moto_en的电压，noms管随之关闭，电机停止工作。

以上所述尽为本发明的优选实施例，而非对被发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。