多传感器数据采集的智能电动牙刷研究(附件)【字数：18707】
摘 要摘 要 论文首先是对电动牙刷发展和历史做了简要的阐述。然后从其整体方案设计、控制系统软件设计和硬件电路部分设计三个方面对智能电动牙刷的制作过程及原理做了较为详细的剖析与设计。在整体方案设计中粗略介绍了通过使用不同的传感器来实现电动牙刷位姿识别的几种可行性方案；控制系统软件设计部分详细介绍了关于I2C通讯模块，位姿判定模块，电机控制模块，模式判定模块等几大软件模块，并且附有相应的软件和图文资料。硬件电路部分设计是由单片机Atmega328P-AU、电源IC充电模块、电机驱动模块、升压模块等几部分组成。在论文中还对ADXL345三轴加速度传感器的中断和双击识别功能根据智能电动牙刷产品的需要进行了设计。该智能电动牙刷的实际应用是能够在没有按钮的情况下，通过位姿的判定和用户的动作来对于电动牙刷的电机进行启动和停止，并且能选择不同的电机振动频率。关键词智能电动牙刷；ADXL345；三轴加速度计；Atmega328；
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题主要研究内容 3
第2章 总体设计 4
2.1 牙刷姿态检测的理论基础 4
2.2 对现有的姿态检测技术的分析与研究 4
2.2.1 基于温度和图像的姿态检测 4
2.2.2 基于空间角度的姿态检测 5
2.3 智能电动牙刷日常数据采集和分析 5
2.3.1 牙刷日常数据采集方法 5
2.3.2 牙刷日常状态数据的分析 6
2.4 功能概述和总体设计 6
2.5 基于ADXL345的姿态检测算法概述 7
第3章 智能电动牙刷的硬件设计 9
3.1 MCU模块 9
3.1.1 MCU的选型与介绍 9
3.1.2 Atmega328PAU的外围电路设计 10
3.2 加速度传感器模块 11
3.2.1 加速度传感器的选型与介绍 11
3.2.2 ADXL345与Atmega328PAU间的电路连接 13
3.3 电池充电模块 15
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.1 充电模块介绍 15
3.3.2 充电模块功能说明 16
3.4 电机模块和升压模块介绍 16
3.4.1 电机 16
3.4.2 升压模块 17
第4章 智能电动牙刷的软件设计 19
4.1 智能电动牙刷姿态检测软件设计概述 19
4.2 开发环境搭建 19
4.3 加速度传感器的驱动程序设计 19
4.3.1 I2C总线读写概述 19
4.3.2 ADXL345角度转换 23
4.4 看门狗中断与睡眠模式的实现 24
4.4.1 睡眠模式设置 25
4.4.2 看门狗中断的设置 25
4.5 ADXL345直立判定程序 27
4.5.1 静止直立判断 28
4.5.2 静止水平判断 29
4.5.3 启动时直立判断 31
4.6 ADXL345翻滚判定程序 32
4.7 ADXL345双击中断的设定 37
4.7.1 ADXL部分中断设置 37
4.7.2 MCU部分中断设置 39
第5章 结论及对未来展望 40
5.1 毕业设计成果 40
5.2 存在问题分析 40
5.3 总结 41
致谢 42
参考文献 43
附录1 46
附录2 59
附录3 59
绪论
研究背景
随着社会生产和科学技术的迅速发展，口腔健康和口腔卫生受到更多人的关注，从2014年到2015年电动牙刷销售数据表明有越来越多的人选择使用电动牙刷来清洁牙齿。从而对于电动牙刷的附加功能也有了更多的要求。和普通牙刷相比，电动牙刷虽然在清洁能力方面强于传统牙刷，但是如果没有采取正确、科学的刷牙方式，其极快的震动频率反而会破坏牙龈、损伤牙齿。为了解决上述问题，在电动牙刷中增加了三轴加速度传感器。通过电动牙刷所受到的加速度和所处的角度来判别刷头在口腔中的位置，从而选择不同的震动频率来减少刷牙时电动牙刷对口腔造成的伤害。
本研究课题是希望充分利用企业的现有资源，通过对市场上的电动牙刷进行研究，对各种传感器和单片机的工作方式，电路的搭建和电路板的绘制，程序的编写，调试和修正实现对本科阶段机电专业相关软硬件知识的回顾和运用。学习解决电动牙刷领域某些实际应用问题，特别是数据处理的相关问题，有利于自身综合设计研发能力的提高，为以后的进一步研究提供一些经验。
国内外研究现状
目前国内对于电动牙刷的研究还处在初级阶段，由于电动牙刷在中国的普及率较低和用户反馈的不足和各方面因素的制约，很多的想法都只是停留在理论，而且由于电动牙刷在国内被推广的时间不长，技术相对不成熟且受众面很小，所以实际中被生产出来后，还存在不少致命的问题。但是针对现在电动牙刷一些缺陷还是做出了相应的对策来应对，比如现在常见的采用压力传感器来减少由于施加力过大对而牙齿造成的损伤[1]。但是不同部位的牙齿和不同角度所对应的压力并不完全相同，所以对于某些特定的部位还是会造成一定的损伤[2]；采用陀螺仪或者加速度传感器，通过判定刷头所刷过的位置来评价清洁效果。但是这种方案对于传感器要求高，会导致成本高于商业期望。
在国外，电动牙刷的普及率远高于国内，因此他们的研究也远先进于国内电动牙刷。最早在1954，瑞士的PhilippeG.WOOG,Ph.D 医生发明了世界上第一款有线电动牙刷Broxodent[3]，当时设计的初衷是为了方便有手部运动缺陷的病人刷牙，但是之后就引起了众人的关注。之后1960年美国的通用电气对这款电动牙刷进行了升级和正式的商业推广，将之前的有线设计升级成为第一支无线的镍镉电池电动牙刷，从此电动牙刷开始被世人所熟知和使用。直到现在，欧美等国家依旧走在电动牙刷的发展前沿，比如飞利浦、欧乐B等企业的产品也在50多年来进行了多次升级，比如飞利浦最新的产品，从之前的几千转每分钟到现在的三万转每分钟甚至频率更高的声波牙刷，也增加了压力传感器减少对牙龈的损耗，牙刷的刷头也针对不同的功能进行了不同的设计，最多有多达五种清洁模式和十七种不同的刷头，充电也从原来的有线和插座式到现在的QI无线充电，同时也添加了可以与手机APP互联的蓝牙模块，可以在手机上查看日常刷牙数据库，并且能根据数据库来生成适应个人的刷牙模式。
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题主要研究内容 3
第2章 总体设计 4
2.1 牙刷姿态检测的理论基础 4
2.2 对现有的姿态检测技术的分析与研究 4
2.2.1 基于温度和图像的姿态检测 4
2.2.2 基于空间角度的姿态检测 5
2.3 智能电动牙刷日常数据采集和分析 5
2.3.1 牙刷日常数据采集方法 5
2.3.2 牙刷日常状态数据的分析 6
2.4 功能概述和总体设计 6
2.5 基于ADXL345的姿态检测算法概述 7
第3章 智能电动牙刷的硬件设计 9
3.1 MCU模块 9
3.1.1 MCU的选型与介绍 9
3.1.2 Atmega328PAU的外围电路设计 10
3.2 加速度传感器模块 11
3.2.1 加速度传感器的选型与介绍 11
3.2.2 ADXL345与Atmega328PAU间的电路连接 13
3.3 电池充电模块 15
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.1 充电模块介绍 15
3.3.2 充电模块功能说明 16
3.4 电机模块和升压模块介绍 16
3.4.1 电机 16
3.4.2 升压模块 17
第4章 智能电动牙刷的软件设计 19
4.1 智能电动牙刷姿态检测软件设计概述 19
4.2 开发环境搭建 19
4.3 加速度传感器的驱动程序设计 19
4.3.1 I2C总线读写概述 19
4.3.2 ADXL345角度转换 23
4.4 看门狗中断与睡眠模式的实现 24
4.4.1 睡眠模式设置 25
4.4.2 看门狗中断的设置 25
4.5 ADXL345直立判定程序 27
4.5.1 静止直立判断 28
4.5.2 静止水平判断 29
4.5.3 启动时直立判断 31
4.6 ADXL345翻滚判定程序 32
4.7 ADXL345双击中断的设定 37
4.7.1 ADXL部分中断设置 37
4.7.2 MCU部分中断设置 39
第5章 结论及对未来展望 40
5.1 毕业设计成果 40
5.2 存在问题分析 40
5.3 总结 41
致谢 42
参考文献 43
附录1 46
附录2 59
附录3 59
绪论
研究背景
随着社会生产和科学技术的迅速发展，口腔健康和口腔卫生受到更多人的关注，从2014年到2015年电动牙刷销售数据表明有越来越多的人选择使用电动牙刷来清洁牙齿。从而对于电动牙刷的附加功能也有了更多的要求。和普通牙刷相比，电动牙刷虽然在清洁能力方面强于传统牙刷，但是如果没有采取正确、科学的刷牙方式，其极快的震动频率反而会破坏牙龈、损伤牙齿。为了解决上述问题，在电动牙刷中增加了三轴加速度传感器。通过电动牙刷所受到的加速度和所处的角度来判别刷头在口腔中的位置，从而选择不同的震动频率来减少刷牙时电动牙刷对口腔造成的伤害。
本研究课题是希望充分利用企业的现有资源，通过对市场上的电动牙刷进行研究，对各种传感器和单片机的工作方式，电路的搭建和电路板的绘制，程序的编写，调试和修正实现对本科阶段机电专业相关软硬件知识的回顾和运用。学习解决电动牙刷领域某些实际应用问题，特别是数据处理的相关问题，有利于自身综合设计研发能力的提高，为以后的进一步研究提供一些经验。
国内外研究现状
目前国内对于电动牙刷的研究还处在初级阶段，由于电动牙刷在中国的普及率较低和用户反馈的不足和各方面因素的制约，很多的想法都只是停留在理论，而且由于电动牙刷在国内被推广的时间不长，技术相对不成熟且受众面很小，所以实际中被生产出来后，还存在不少致命的问题。但是针对现在电动牙刷一些缺陷还是做出了相应的对策来应对，比如现在常见的采用压力传感器来减少由于施加力过大对而牙齿造成的损伤[1]。但是不同部位的牙齿和不同角度所对应的压力并不完全相同，所以对于某些特定的部位还是会造成一定的损伤[2]；采用陀螺仪或者加速度传感器，通过判定刷头所刷过的位置来评价清洁效果。但是这种方案对于传感器要求高，会导致成本高于商业期望。
在国外，电动牙刷的普及率远高于国内，因此他们的研究也远先进于国内电动牙刷。最早在1954，瑞士的PhilippeG.WOOG,Ph.D 医生发明了世界上第一款有线电动牙刷Broxodent[3]，当时设计的初衷是为了方便有手部运动缺陷的病人刷牙，但是之后就引起了众人的关注。之后1960年美国的通用电气对这款电动牙刷进行了升级和正式的商业推广，将之前的有线设计升级成为第一支无线的镍镉电池电动牙刷，从此电动牙刷开始被世人所熟知和使用。直到现在，欧美等国家依旧走在电动牙刷的发展前沿，比如飞利浦、欧乐B等企业的产品也在50多年来进行了多次升级，比如飞利浦最新的产品，从之前的几千转每分钟到现在的三万转每分钟甚至频率更高的声波牙刷，也增加了压力传感器减少对牙龈的损耗，牙刷的刷头也针对不同的功能进行了不同的设计，最多有多达五种清洁模式和十七种不同的刷头，充电也从原来的有线和插座式到现在的QI无线充电，同时也添加了可以与手机APP互联的蓝牙模块，可以在手机上查看日常刷牙数据库，并且能根据数据库来生成适应个人的刷牙模式。
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