百味勺子
一、背景介紹
2013年，新加坡國立大學實驗室的研究人員公開了一款合成味覺的互動裝置原型，它可以通過電流和溫度來模拟人類幾種原始味覺。
原來，人類在進食的時候，舌頭味蕾會産生相應的生物電，并傳到大腦，讓大家食而知其味。這款裝置的原理也有幾分相似：通過不同的電流和溫度刺激，來産生一些原始的味道，比如說酸甜苦鹹。
對于不同的人類原始味覺，它們需要什麼樣“參數”來“欺騙”大腦呢？大緻如下：
| 味道 | 電流&溫度參數 |
|---|---|
| 鹹味 | 20-50uA的低頻率電流 |
| 酸味 | 60-180uA的電流、舌頭溫度從20℃上升到30℃ |
| 甜味 | 反向電流、舌頭溫度先升到35℃，再緩慢降低至20℃ |
| 苦味 | 60-140uA的反向電流 |
| 辣味 | 溫度從33℃加熱至38℃ |
| 薄荷味 | 溫度從22℃下降至19℃ |
二、概述
随着美食類節目越來越得到大衆的認可，越來越多的愛好者也紛紛開始加入美食部落客之類的行列。看着螢幕裡色澤誘人，香氣氤氲的美食，螢幕前的大家直流口水，恨不得馬上飛到旁邊試吃。是以，當收看這類節目，大家時常感歎，為什麼吃不到這些美食，好痛苦啊！！！
不要急，機會來啦，塗鴉智能開發者團隊開發出了一款智能裝置——百味勺子，從電流，溫度等方面刺激舌頭，讓大腦模拟出對應的味覺，使在家就能品嘗到世界各地的美食。
當然，通過百味勺子，可以在不吃到食物的情況下，體驗到巧克力、蛋糕等高熱量食品的味道，實屬減肥利器。
另外，對于一些被高血壓，糖尿病所困，無法攝入特定食物的病人，百味勺子也可以從另一方面提高他們的生活品質。
當病人要服用非常難吃的藥的時候，可以通過百味勺子來進行味覺欺騙。
怎麼樣，是否有點心動？
想品嘗一下迪拜酒店提供的榴蓮千層蛋糕？想吃一下出自日本神廚之手的M8和牛烤肉？想試試Caviar House & Prunier出品的魚子醬？
來吧，塗鴉幫你實作願望！
三、硬體設計
1.主要單元
主要晶片選擇塗鴉智能開發的嵌入式藍牙模組。
2.電源管理系統
百味勺子為了做到整體小巧精緻，友善攜帶，是以在電源方面，建議選擇能量比高，自放電率低的锂電池供電。
為了安全管理锂電池充電放電，使锂電池工作壽命更長，大家還專門設計了一套電源管理電路。
晶片方面，大家可以使用業内常用的TP4056晶片。這是一款恒定電流/恒定電壓線性充電晶片，采用了内部 PMOSFET 架構，内置防倒充電路。晶片具有熱回報功能，可對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或高環境溫度條件下對晶片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設定。當充電電流在達到最終浮充電壓之後降至設定值 1/10 時，TP4056 将自動終止充電循環。
電路原理圖如下
V_IN為USB輸入的5V電壓，V_BAT連接配接锂電池的正極（锂電池的負極記得連GND），CE腳是晶片使能端，隻有CE腳高電平的時候，TP4056才會正常工作。
STDBY腳是電池充電完成訓示端。當電池充電完成時，該腳被内部開關拉到低電平，表示充電完成。除此之外，該管腳都将處于高阻态。
CHRG腳是漏極開路輸出的充電狀态訓示端。當充電器向電池充電時， 該管腳被内部開關拉到低電平，表示充電正在進行；否則該管腳處于高阻态。
是以，開發者可以在STDBY和CHRG腳分别加了綠色和紅色兩個LED。這樣，當锂電池正在充電時，紅燈點亮，當充電完成，綠燈點亮。
PROG腳是恒流充電電流設定和充電電流監測端。從 PROG 管腳連接配接一個外部電阻到地端可以對充電電流進行程式設計。在預充電階段，此管腳的電壓被調制在 0.1V；在恒流充電階段，此管腳的電壓被固定在 1V。在充電狀态的所有模式，測量該管腳的電壓都可以根據下面的公式來估算充電電流Ibat=1200*Vprog/Rprog。
為了防止大電流充電，晶片和電池溫度上升，開發者把充電最大電流設定為0.8A。根據公式可知，Rprog=1200*Vprog/Ibat。
其中Ibat取0.8A，Vprog取1V，計算得Rprog=1.5K歐姆。如果開發者想加大電流，在此基礎上适當減小Rprog電阻即可。
TEMP腳是電池溫度檢測輸入端。将TEMP 管腳接到電池的 NTC 傳感器的輸出端。如果 TEMP 管腳的電壓小于輸入電壓的45％或者大于輸入電壓的 80％，意味着電池溫度過低或過高，則充電被暫停。如果 TEMP 直接接 GND，電池溫度檢測功能取消，其他充電功能正常
這裡為了減少開發周期，開發者可以将R16或者R14焊0歐姆電阻，取消該功能。如果開發者希望啟用，可以聯系塗鴉智能，塗鴉智能會提供專業技術支援進行幫助。
3.電流調制系統
百味勺子的核心就是産生一定大小和頻率的電流，刺激人體舌頭，模拟産生味覺，是以可靠穩定的電流調制系統非常重要。
電流調制主要有兩部分組成，一個是電流頻率的調制，一個是電流大小的調制。塗鴉工程師經過反複測試驗證，設計出了下面這款電路：
由于锂電池一般隻有3.6V左右，而後面要用到的數字電位器工作電壓推薦為5V，另外負載條件下滿足恒流輸出，3.6V的裕量可能也不夠，是以，開發者需要先進行升壓操作。
升壓晶片，開發者可以采用TI的LM2733X系列晶片。該晶片内置40V DMOS FET ，開關頻率高達1.6MHz，輸出電流可達1A。它的輸入電壓範圍很寬，2.7V~14V均可，锂電3.6V電平完全滿足它的要求。詳情點選這裡檢視LM2733X資料手冊
根據手冊可知，LM2733X輸出電壓Vout=Vfb*（1+R5/R1），其中Vfb的典型值為1.23V。開發者需要調制R1和R5的阻值，使得輸出在5V附近。這裡R1選擇10K，R5選擇33K，這樣計算出Vout大約為5.3V左右。開發者也可以根據自己的需要，升壓至别的電壓點，但是不要超過7V，原因是數字電位器工作耐壓為7V，超過7V會損壞器件。
接下來是頻率調制電路，開發者可以通過兩個不同溝道的MOS管，組合成一個控制電路。
當S_tongue信号為高電平時，Q5 MOS管導通，電流允許通過Q5，給後面的電路供電，；
當S_tongue信号為低電平時，Q5 MOS管截至，Q5後面的器件停止工作，沒有輸出。
通過控制S_tongue信号的周期和占空比，開發者可以實作後端負載電壓的頻率控制，進而實作負載電流的頻率調制。
電流大小調制階段，開發者可以采用一顆LDO和一顆數字電位器。
U2是比較常用的LDO，型号為AMS1117-33，這是一個正向低壓降穩壓器，内部內建過熱保護和限流電路，最大可以輸出1A電流，輸入電壓最高允許12V，輸出穩壓到3.3V，輸出精度誤差僅在1%以内。詳情點選這裡檢視AMS1117資料手冊
U7數字電位器開發者可以采用X9C104SIZT1，它是一種數控可程式設計的電阻器，可以采用數控方式調節電阻值，具有調節精度高、低噪聲、抗幹擾、無機械磨損等顯著優點，是電流調節電路中的關鍵器件。
數字電位器一般由輸入控制，計數控制和譯碼，非易失性存貯器及電阻陣列三部分組成。輸入控制部分的工作就像一個升/降計數器。這個計數器的輸出被譯碼而接通一個單接點的電子開關，以便把電阻陣列上的一個點接到滑動輸出端。在适當的條件下， 計數器的内容可以貯存在非易失性存貯器中并保持以便今後使用。電阻陣列包含99 個單獨的電阻，他們以串聯的形式連接配接。在二個終端端點以及每個電阻之間都有一個電子開關，可将該點的電位傳輸到滑動端。
RH和RL等效于一個機械電位器的固定端。
RW是滑動端，等效于一個機械電位器的可移動端。滑動端在電阻陣列中的位置由控制輸入腳決定。
U/D是升/降輸入腳，用于控制滑動端移動的方向。
INC是增加輸入腳，由負邊沿觸發。觸發INC将使滑動端向計數器增加或減少的方向移動，移動的方向由U/D端輸入的邏輯電平決定。
其他詳情點選這裡檢視X9C104SIZT1資料手冊
電流大小調制的原理如下：
當電流調制電路工作時，LDO的R+和R-兩端的電壓大小為Vref，為3.3V，R+和R-兩端的電阻大小為U2數字電位器接入電阻的大小Rs。
這樣，可以計算出LDO的R+和R-兩端流經的電流大小Is=Vref/Rs。
流經負載端的總電流I=Is+Iss。
其中Iss為LDO的靜态漏電流，方向由LDO的公共端流向GND，不同型号的LDO，Iss也存在差異，但是由于Iss比較小，與Is相比可以忽略。
是以，流經負載端的總電流可以簡化為I≈Is=Vref/Rs。
由公式可知，當LDO選型确定後，Vref為定值，開發者隻需通過程式改變Rs的阻值，即可調節系統的輸出電流大小。
而舌頭就放在J5的位置啦。
4.溫度控制系統
溫度控制系統主要分為加熱部分和溫度檢測部分。原理圖如下：
加熱器件選擇市面上常用的PI聚酰亞胺電熱膜，它是一種三明治結構的半透明金屬柔性電熱膜，以金屬箔﹑金屬絲為内導電發熱體，經高溫高壓熱合而成。 聚酰亞胺薄膜電熱膜具有優異的絕緣強度，抗電強度，熱傳導效率，電阻穩定性，這使得它能夠廣泛地适用于加熱領域并能夠獲得相當高的溫度控制精度。開發者可以選擇帶膠的PI電熱膜，直接貼在PCB闆子上，如上圖，把電熱膜的引腳焊接在J3位置。
Q2為P溝道MOS管，Q3為N溝道MOS管，工作原理如下：
當S_Heat信号為高電平時，Q2 MOS管導通，J3處的電熱膜開始加熱；
當S_Heat信号為低電平時，Q2 MOS管截至，J3處的電熱膜停止加熱。
想做到溫度控制，除了加熱之外，當然還需要溫度檢測。這部分，開發者可以采用TI的TIMP75數字溫度傳感器。
它是負溫度系數 (NTC) 和正溫度系數 (PTC) 熱敏電阻的理想替代産品，支援SMBus™、兩線制和 I2C 三種接口，在-40°C 至 125°C 範圍内精度為 ±1°C。 TMP75靜态電流隻有50μA， 待機電流隻有0.1μA。該器件無需校準或外部元件信号調節即可提供典型值為 ±1°C 的精度。器件溫度傳感器為高度線性化産品，無需複雜計算或查表即可得知溫度。片上 12 位模數轉換器 (ADC) 提供低至 0.0625°C 的分辨率。
至此，核心電路基本如上描述，接下來可以根據自身的需求和創意，增加一些小功能，比如LED呀，按鍵呀，USB通信呀之類。
四、外觀結構
電路完之後，開發者還需要發揮創意，給勺子設計一個好看的外形結構。
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SWTICH
百味勺子硬體整體方案就介紹完了，大家可以發散自己的想象力，原理其實是一樣的，除了勺子以外還可以和什麼樣的物品進行結合呢？
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