DIY 一把 ESP32-C2 智能电动牙刷

简介

对于大多数人来说，早晨起床后的惯例之一是刷牙。早在 1938 年尼龙牙刷问世之前，人们就已经使用各种不同形式和材料的器具来清洁牙齿。

如今，电子牙刷已经十分普遍，甚至还有帮助记录刷牙习惯的智能牙刷。我们的产品设计理念不仅仅是制造一款智能牙刷，而是打造一个保护口腔健康的智能伴侣。通过应用前沿技术，我们以用户为中心，旨在为用户提供更舒适、个性化的口腔护理体验。

ESP-ToothBrush 产品概述

ESP-ToothBrush 是一款由乐鑫的 ESP32-C2 芯片驱动的智能电动牙刷。搭载一块 0.96 英寸 SPI 接口的 LCD 屏幕，它可以显示电池电量、网络连接、刷牙时间和刷牙状态等各种信息。

在设计上， ESP-ToothBrush 追求简洁性，用户只需一个按键即可启动 ESP-ToothBrush，使超声波电机运转，蜂鸣器播放提示音。此外，它还支持 Wi-Fi 连接，并集成了ESP RainMaker，用户可通过智能手机上的 ESP RainMaker APP 追踪详细的刷牙数据并配置牙刷。

便捷性也是 ESP-ToothBrush 的一大亮点，它采用 USB Type-C 接口用于烧录固件和充电，同时还支持通过磁性触针充电，为用户提供了更加灵活方便的充电方式。

功能框图

以下是 ESP-ToothBrush 的功能框图，清晰地介绍了主要功能组件及其交互方式。主要部分包括：

电源供电模式

ESP-ToothBrush 支持两种电源供电模式，提高了设备的灵活性和可靠性：

18350 锂电池供电（默认供电方式，推荐使用）：牙刷主要由可充电的 18350 锂电池供电，便携耐用。这种电池具有高能量密度，因此适用于为 ESP-ToothBrush 等小型设备供电。
USB 电源供电（通过 ESP32-C2 USB 接口）：牙刷也可以通过 USB Type-C 接口，直接连接 ESP32-C2 为其供电。除了作为电源供电，连接 USB 电源时还能为 18350 锂电池充电，发挥既可供电又可充电的双功能。

电路模块描述

电池管理器：使用 TP4056 芯片进行电池管理，实现充电功能，同时防止过充和过放，并具备防反接保护功能。充电芯片 CHRG 引脚通过一个 10K 电阻上拉，当电池充电时 CHRG 引脚为低电平，其余状态均为高电平，CHRG 引脚与 ESP32-C2 芯片的 GPIO5 连接，可通过检测该管脚的电平状态来识别电池充电状态。
电池电量监测器：ESP32-C2 的模数转换器 (ADC) 的最大量程为 0–3.3V，而 18350 锂电池的电压最高可达 4.2V，已超过 3.3V。为了安全地测量电池电压，使用了两个等值电阻将电池电压分压。然后通过 ESP32-C2 ADC（GPIO4 对应为通道 4）获取电池电压，将测得的电压值乘以 2，即得到实际的电池电压，从而实现对电池电量的监测。
LDO 电压调节器：使用 HE9073A33M5R LDO 芯片进行稳压，将锂电池的可变输入电压转换为稳定的 3.3V 输出，为 ESP32-C2 及其外设供电，确保设备在不同电池电量下稳定运行。
LCD：使用 0.96 英寸 LCD 屏幕（80x160 分辨率）显示电池电量、网络状态、刷牙时间和刷牙状态等关键信息。显示屏通过 SPI 接口与 ESP32-C2 进行通信，确保数据传输快速高效。
电机驱动器：超声波电机由 TC118S 直流电机驱动芯片驱动，该芯片以低功耗和低成本著称，是控制牙刷电机驱动器的理想选择。
USB-UART 桥接器：CP2102N USB 到 UART 桥接器用于 ESP32-C2 的编程和调试。它通过 USB Type-C 端口连接，为刷写固件和调试系统提供现代化的高速连接。
按键：带有一个多功能按键，实现牙刷不同工作模式之间的切换，简化使用。
蜂鸣器：使用一个无源蜂鸣器来提供音频反馈。通过播放特定的声音，提示用户状态变化或重要操作，提升用户体验。

硬件设计

ESP-ToothBrush 的每个功能模块都需要开发硬件原理图，以确保每个电路部分能够可靠、高效运行。设计过程需要仔细斟酌每个电路的布局，选择合适的电子元件，以优化系统的性能和稳定性。

如需了解关于 ESP32-C2 及其相关组件的最佳实践和具体要求，请参考官方的《ESP 硬件设计指南》。该指南提供了关于 PCB 版图布局、供电建议等详细信息，确保硬件设计的质量达到标准。

PCB 版图布局

硬件设计完成后，我们需要对每个组件进行合理布局，确保在保持紧凑设计的同时实现最佳功能表现。精准布局的结果是，功能最大化、效率最高和空间最小化三者实现了恰到好处的平衡，所有组件在有限的空间达成无缝协作。

布局

正面

背面

3D 设计

为了确保 ESP-ToothBrush 兼具美观和实用性，我们在设计过程中借助了 3D 打印。经过多次迭代，逐步优化了外形和功能，最终打造出一款既符合人体工学又易于使用的产品。

软件实现

软件开发在硬件设计完成后进行，以确保 ESP-ToothBrush 在日常使用中既具备功能性和实用性。软件基于乐鑫资源集成了各种功能，实现流畅运行。

LCD 显示屏：为了实现 LCD 功能，我们使用了 ESP-IDF 示例中的代码，这些示例涵盖了多种 LCD 接口。我们还使用了 esp_lv_spng 组件来高效显示 LCD 上的 PNG 图像。此外，LCD 显示屏用户指南提供了更多关于 LCD 集成的信息。
电机驱动与蜂鸣器：电机驱动和蜂鸣器通过 PWM 接口进行控制。乐鑫提供的 LEDC 示例演示了如何通过 PWM 实现这些应用。LEDC 编程指南提供了更多详细信息。对于蜂鸣器的控制，我们使用了 hayschan/buzzer 组件，简化了软件开发，并优化了音效。
电池电量监测：通过 ADC 接口实现电池电压监测，详细信息可参考 ADC 单次读取示例。ADC 单次换模式驱动指南进一步说明了如何在单次转换模式下读取 ADC 数据。
Wi-Fi连接：Wi-Fi 功能方面，ESP32-C2 设置为 Wi-Fi Station 模式。可参考 Wi-Fi Station 示例学习如何连接到 AP。Wi-Fi 驱动程序指南提供了更多关于设置 Wi-Fi 连接的信息。
ESP RainMaker 集成：为了实现云端控制和监控，ESP RainMaker SDK 允许远程控制牙刷。用户可以直接使用 ESP RainMaker 组件进行集成，并参考 ESP RainMaker 入门指南获取详细说明。