论述发明电动水果刀的技术可行性

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前言

为了方便人们削水果皮，我想发明一种电动水果刀。人们在削水果皮时，往往是用水果刀，人工一下一下削，很费时，有时也可能被刀伤到手。要发明电动水果刀，先从理论上阐述它的技术可行性。下面我将从结构，机械和电子方面去论述它的工作原理和可行性。

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结构方面

结构外观我打算做成类似理发器或刮胡刀的形状。便携式的，可以随身携带，类似移动电源，旅行坐火车汽车可以用，户外活动野餐也可以用。可充电的，结构上有一个口，Micro USB接口，只需一根安卓线，和一个USB接口，就可以给电动水果刀充电。结构上有一个刀口，里面有一个柱状的刀，而且可以活动的，有弹性的，可以更好的贴住水果的表面，更好地削去水果皮。结构里面有一个空槽 ，这是果皮盒，削掉的水果皮会被甩到果皮盒里面来，果皮盒满后，可以打开盖子倒掉。结构上还要有一个按键和5个LED。按键的作用是长按开机，开机后短按就开始工作，削果皮。1个LED是工作指示灯，4个LED是电量指示灯。

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机械方面

机械方面主要是有一个柱状的刀，还有一个牙箱和一个电机，牙箱连接电机和柱状的刀，牙箱里面有一些齿轮，起到减速的作用，因为电机转起来转速非常 快，如果直接通过齿轮驱动柱状的刀旋转，那么速度也是非常快的，而削果皮不需要这么快的速度，所以用了牙箱做了减速。

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电子方面

工作原理：本设计的电路主要是通过按键控制机器开关机，按键控制电机的工作，电机转动后，带动牙箱工作，然后带动柱状的刀转动，实现削果皮的功能。本设计包括了以下的模块：

1，电源管理模块

电源管理模块里有充电电路，DC-DC升压电路和LDO稳压电路。

（1）充电电路本设计采用了ME4059充电管理芯片。ME4059 是一款具有恒流恒压充电模式的锂电池充电管理芯片，可以对单节（4.2V/4.34）锂电池进行快速高效地充电。其采用电流模式PWM 降压型开关控制结构，为锂电池快速充电提供了微型、简单且高效的解决方 案。ME4059 内置防倒灌功能，所以实际应用不需要输入 端接二极管防倒灌。大大降低了系统成本。芯片内置过压 保护功能，当芯片的 VIN 电压超过 6V 之后，芯片关闭， 此时芯片的 VIN 端可耐压 10V。ME4059 由外部 Sense 电阻设定出高精度的充电电 流，内部由分压电阻和精准的参考电压将电池的浮充电压 设定在 4.2V/4.34V 同时具有高达±1%的精度。当输入电 源去掉后，芯片会自动进入低电流休眠模式，电池的漏电 流低至 1μA。当充电周期结束后，如果单节电池电压降到4.1V/4.15V 后，芯片将自动重新对电池进行充电。参考电路如下图。

（2）DC-DC升压电路主要用来给电机供电。因为单节锂电池电压标称3.7V，充满电4.2V，而电机功率大一点的电机至少也要5V，或者12V，这里选用工作电压5V的电机，所以需要把3.7V升压到5V给电机供电。本设计的升压电路采XA5002芯片。XA5002 是一款高效率，高 PWM 开关频的DCDC 转换器。芯片内置有 5A，0.05ohm 功率开关管，可以提供达 8.4V 的输出电压。芯片高达1MHz 的开关频率实现小的电感和电容，同时提供极好的动态响应。芯片内置有软启动和环路补偿，只需要很少的外部元器件实现开关应力的减小及系统的稳定性。这里要实现5V的输出电压，只需要调整一下反馈电路参数就可以。参考电路如下图。

（3）LDO稳压电路，主要是供单片机电路供电。本设计采用了ME6203。ME6203输入电压范围宽：高达40V，输出电压范围是2.1V ~ 12V ，输出最大输出电流达100mA，可以满足单片机的工作需求。这里需要稳压输出3.3V,参考电路如下图。

2，控制模块

控制模块主要是单片机最小系统电路。本设计采用的单片机是SH88F4051A，SH88F2051A是一种高速高效率8051可兼容单片机。在同样振荡频率下，较之传统的8051芯片它有着运行更快速的优越特性。SH88F2051A保留了标准2051芯片的大部分特性。这些特性包括内置256字节RAM和2个16位定时器/计数器，1个UART和外置中断INT0，INT1，INT2。此外，SH88F2051A还集成了256字节外部RAM，可兼容8052芯片的16位定时器/计数器（Timer2）。该单片机还包括适合于程序和数据的4K字节Flash块。SH88F2051A不仅集成了EUART标准通讯模块，此外还集成了具有内建比较功能的ADC，PWM定时器等模块。为了达到高可靠性和低功耗，SH88F2051A内建看门狗定时器，低电压复位功能和低电压检测功能。此外SH88F2051A还提供了2种低功耗省电模式。该单片机数据处理是8位，外围电路简单，参考电路如下图。

3，电机驱动模块

电机驱动电路主要是用MOS来驱动，因为本设计不需要电机实现正反转，所以采用PMOS做为开关。MOS选用型号为CJK3407，最大支持4.1A。MCU通过PWM控制三极管的通断，从而控制PMOS的通断，然后驱动电机转动。CJK3407在Vgs=-4.5V时，Rds=87mΩ，通流能力达到最大4.1A,又因为电路中最大的电压是5V,因此为保证MOS处于完全导通状态，设计时不采用分压，使S、G两端的电压差在4.5V以上。还要才考虑电机的保护功能，需要在电路中增加PTC做硬件的保护，还要在电机的回路中串上一个采样电阻，再经过一个运放电路给单片机的ADC采样，单片机采样到大电流，就关断PMOS，这样就起到软件保护的作用。参考电路如下。

4，人机交互模块

人机交互模块主要是按键和LED指示灯电路的设计。本设计只有一个按键，起到长按开关机，短按电机工作的作用。按键通过两个二极管，分别连接到控制电源通断的PMOS的G脚和单片机的IO口，长按按键后，PMOS的G脚电压被拉低，PMOS导通，系统上电，单片机开始工作，置高电平控制三极管通断的IO口，使三极管保持导通状态，PMOS也就保持导通，完成了开机功能，开机后，短按按键，单片机的IO口被拉到地，单片机检测到低电平，就判断有按键按下，就输出PWM控制电机转动。还有一个工作指示灯和四个电量指示灯。开机后，单片机工作后，控制IO口点亮LED，起到工作指示的作用，单片机通ADC采样电池电压，然后控制四个LED,显示当前的电量情况。参考电路如下。

完整电路如下面的图。

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