放大招！百味勺子硬件设计篇

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合成味觉交互设备原型，可以通过电流和温度模拟几种原始味觉。

原来，当人类进食时，舌头味蕾会产生相应的生物电，并传播到大脑中，让每个人都知道它的味道。该设备的原理也有些相似：通过不同的电流和温度刺激，产生一些原味，如酸、甜、苦、咸。

他们需要什么样的参数来欺骗不同人类的原始味道的大脑？大致如下：

味道	电流&温度参数
咸味	20-50uA的低频率电流
酸味	60-180uA20年的电流和舌头温度℃上升到30℃
甜味	反向电流，舌温升至35℃，慢慢降到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

随着食品节目越来越受到公众的认可，越来越多的爱好者也开始加入食品博客作者的行列。看着屏幕上迷人的颜色，浓郁的香味，屏幕前的每个人都流口水，渴望立即飞到旁边尝试。所以，当看到这样的节目时，我们经常叹气，为什么不能吃这些食物，那么痛苦啊！

别担心，机会来了，涂鸦智能开发者团队开发了一种智能设备——百味勺子，从电流、温度等方面刺激舌头，让大脑模拟相应的味道，这样你就可以在家里品尝到世界各地的食物。

当然，通过百味勺，你可以体验巧克力、蛋糕等高热量食物的味道，而不吃食物。这是减肥的利器。

另外，对于一些被高血压、糖尿病困住、无法摄入特定食物的患者，百味勺也能从另一方面提高生活质量。

当患者想服用非常难吃的药物时，可以用百味勺欺骗味觉。

怎么样，有点兴奋吗？

想品尝迪拜酒店提供的榴莲千层蛋糕吗？想吃日本厨师做的M牛肉烧烤？想试试Caviar House & Prunier鱼子酱？

来吧，涂鸦帮你实现你的愿望！

三、硬件设计

1.主控单元

主控芯片选用涂鸦智能开发的嵌入式蓝牙模块。

2.电源管理系统

为了整体小巧精致，便于携带，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的充放电，延长锂电池的工作寿命，我们还专门设计了一套电源管理电路。

在芯片方面，您可以使用行业中常用的芯片TP4056芯片。采用恒定电流/恒定电压线性充电芯片 PMOSFET 内置防倒充电路的架构。芯片具有热反馈功能，可自动调节充电电流，在大功率操作或高环境温度条件下限制芯片温度。充电电压固定在4.2V，充电电流可通过电阻器外部设置。当充电电流达到最终浮充电压时，将其降至设定值 1/10 时，TP4056 充电循环将自动终止。

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(记得连接锂电池的负极)GND），CE脚是芯片使能端，只有CE脚高电平时，TP4056才能正常工作。

STDBY脚是电池充电完成的指示端。当电池充电完成时，脚被内部开关拉到低电平，表示充电完成。此外，管脚将处于高电阻状态。
CHRG脚是漏极开路输出的充电状态指示器。当充电器向电池充电时， 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行中，否则管脚处于高电阻状态。
因此，开发人员可以在那里STDBY和CHRG脚加绿色和红色LED。这样，当锂电池充电时，红灯就会亮起，当充电完成时，绿灯就会亮起。

PROG脚是恒流充电电流设置和充电电流监测端。从 PROG 将外部电阻连接到地端的管脚可以编程充电电流。在预充电阶段，调节管脚电压 0.1V；该管脚的电压固定在恒流充电阶段 1V。在充电状态的所有模式下，可以根据以下公式估计管脚的电压Ibat=1200*Vprog/Rprog。
为防止大电流充电，芯片和电池温度升高，开发人员将最大充电电流设置为0.8A。根据公式，Rprog=1200*Vprog/Ibat。

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

TEMP脚是电池温度检测输入端。将TEMP 管脚与电池相连 NTC 如果传感器的输出端。 TEMP 管脚的电压小于输入电压的45%或大于输入电压 如果电池温度过低或过高，则暂停充电。 TEMP 直接接 GND，电池温度检测功能取消，其他充电功能正常
开发者可以在这里减少开发周期R16或者R14焊接0欧姆电阻，取消此功能。如果开发者想使用它，可以联系涂鸦智能，涂鸦智能将提供专业的技术支持。

3.电流调节系统

百味勺的核心是产生一定大小和频率的电流，刺激人体舌头，模拟味觉，因此可靠稳定的电流调节系统非常重要。

电流调制主要由电流频率和电流大小两部分组成。经过反复测试和验证，涂鸦工程师设计了以下电路：

因为锂电池一般只有3个.6V后面使用的数字电位器工作电压推荐为5V，另外，在负载条件下满足恒流输出，3.6V所以，开发人员需要先进行升压操作。

开发者可以使用升压芯片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。其输入电压范围很宽，2.7V~14V均可，锂电3.6V电平完全满足其要求。点击此处查看详细信息LM2733X数据手册

根据手册，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，原因是数字电位器的工作耐压性为7V，超过7V会损坏设备。

接下来是频率调制电路，开发者可以通过两个不同的通道MOS管道，组合成控制电路。

当S_tongue当信号为高电平时，Q5 MOS管流允许通过管许通过Q5.给后面的电路供电；
当S_tongue当信号为低电平时，Q5 MOS管截至，Q5后部设备停止工作，无输出。
通过控制S_tongue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。

在电流调节阶段，开发者可以使用一个LDO和一颗数字电位器。

U二是比较常用的LDO，型号为AMS117-33是一种集过热保护和限流电路于一体的正向低压降压器A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。点击此处查看详细信息AMS1117数据手册

U数字电位器开发者可以使用X9C104SIZT1.它是一种数控可编程电阻器，可以通过数控调节电阻值。它具有调节精度高、噪音低、抗干扰、无机械磨损等显著优点。它是电流调节电路中的关键设备。

数字电位器一般由输入控制、计数控制和编码、非易失存储器和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。该计数器的输出被编码并连接到一个单接点关，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。

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。

四、外观结构

电路完之后，开发者还需要发挥创意，给勺子设计一个好看的外形结构。

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百味勺子硬件整体方案就介绍完了，大家可以发散自己的想象力，原理其实是一样的，除了勺子以外还可以和什么样的物品进行结合呢？

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