智能超声波洁牙机的设计

准备上超声波的项目，先学习下，基础知识就不分享了，直接上案例.

作者： 张华林    文章来源： 漳州师范学院

  超声波洁牙机在医疗领域已广泛应用。 现国内外所用超声波洁牙机多采用模拟振荡电路。 存在如下缺陷： 第一，振荡频率容易漂移。 在连续工作一段时间后， 振荡频率漂移， 造成洁牙机工作不正常。 第二， 由于压电陶瓷片谐振频带范围窄， 谐振频率点采用手动搜索， 不容易找准。 本人设计的超声波沽牙机以单片机为核心， 采用电流取样反馈自动扫描搜索谐振点， 谐振频率和振荡强度数字锁定， 谐振点漂移极小， 从而在根本上解决了上述问题。 该电路设计思路新颖， 抗干扰能力强， 工作稳定可靠。

    1 硬件设计

    硬件电路框图如图 1 所示。 该洁牙机的基本工作过程如下： TL494 为核心振荡电路在 MPU 控制下产生占空比可控的推挽脉冲输出， 由 MPU 串行发送数据到振荡频率控制电路， 控制振荡产生电路的振荡频率， 使振荡电路产生的振荡信号的占空比和频率受 MPU 控制， 该振荡信号经功率放大电路放大， 经高频变压器升压后驱动压电陶瓷片，把超声振荡电信号转为超声机械振动信号， 该机械振动能良好地清除牙垢和牙结石等， 从而达到美观牙齿的效果。

    1.1 电源设计

    超声洁牙机在正常工作时功率为 10～20 W， 且要求在 180～250 V 的宽电压范围内工作， 为满足要求， 减少电源部分发热， 本电路电源部分采用开关电源。 整机电路原理图如图 2 所示。

    本开关电源采用摩托罗拉公司的 DC—DC 控制芯片 MC34063， 该电路具有线路简单， 成本低廉， 效率高， 温升低的特点。 核心元件 MC34063 是一种单片双极型线性集成电路， 片内包含有温度补偿带隙基准源， 一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关。 输出电压 U=(1+R2／ RI)·1 ． 25 V， 限流电阻为 1 Ω， 故输人电流被限制在0． 3 V／ 1 Ω=0． 3 A。

    1． 2 振荡电路

    振荡信号的产生有多种方法。 最简单的方法是由 PIC16F73 直接产生 PWM 输出， 该方法简洁方便， 但有两个缺陷： 第一， 不能产生推挽振荡信号。 因而功率放大电路只能工作在正半周， 效率低， 发热较严重， 不利于电路稳定工作。 第二， 压电陶瓷片的谐振点在(30±5)kHz， 谐振频带宽度≤80 Hz。 PIC16F73 的 PWM 输出在 25～35 kHz 频率下， 步进频率≥lOO Hz， 因此 PICl6F73 的 PWM 输出可能找不到压电陶瓷片的最佳谐振点。 笔者设计的振荡电路圆满解决了上述问题。

    振荡电路控制芯片采用 TLt94， 该芯片内部框图如图 3 所示， 具体电路见图 2。 推挽振荡信号由 TL494 的 9 脚和10 脚输出， 该信号的频率由 T1。 494 的 5 脚和 6 脚外接的电容 Ct 和电阻 Rt 决定， Rt 和 Ct 应选用低温漂的电阻和电容。 该信号振荡频率计算公式为： fosc=1． 1 ／ 2Rt·Ct； 该信号的占空比由 TL494 的 1 脚和 2 脚的外接信号电压决定.

    1.3 频率控制

    为满足压电陶瓷片振荡频率为 25～35 kHz， 步进频率≤80 Hz 的要求， 图 2 电路中的 Rw 是阻值为 20 kΩ 的粗调电位器， 数字电位器 IC4 是 PICl6F73 控制下的细调电位器。 经计算 Rw 粗调(以 1C4 为 5 kΩ 计)， 使， fosc 变化范围为 24． 5～35． 7kHz， 满足要求。 细调的数字电位器 IC4 选用总阻值 10 kΩ， 256 级可调的 MCP41010， MCP41010 与 PIcl6F73 的通信采用方便快捷的 SPI 方式， 步进阻值是 39． 0625 Ω。 振荡器的步进频率为：

    振荡频率为 35 kHz 时的步进频率为 30． 4 Hz， 振荡频率为 25 kHz 时的步进频率为 15． 6 Hz。 由上述数据可知，采用数字电位器控制 TL494 工作方式可满足压电陶瓷片谐振带宽的要求。

    1.4 强度控制

    本洁牙机设计了灵敏的强度控制电路。 PIC16F73 的 RAl 脚外接电位器 Rw1 ， 调在不同位置则 RAl 输入的模拟电压不同， 经 PICl6F73 内部 A／ D 转换为数字信号， 该信号决定由 CCPl 输出的 PWM 信号的占空比。 PWM 信号经滤波后送到 TI． 494 的 2 脚， 与 l 脚送入的参考电压比较， 从而决定 TL494 的 9 脚和 10 脚输出的振荡信号脉宽在 0～48％。 当引脚开关断开时， PIC16F73 判断到 RC3 输入为高电平， 则 PICl6F73 的 PWM 输出占空比为 0， TL494 的 9脚和 10 脚输出振荡信号占空比为 O， 从而控制洁牙机停止机械振荡输出。

    1.5 推挽功率放大

    超声机械振荡为了起到良好的洁牙效果， 机械振荡必须达到一定的强度， 即送到压电陶瓷片的由 TL494 输出的振荡信号必须先经过功率放大。 由于功率管流过的瞬间电流达到 1 ． 1 A， 为减少功率管发热， 缩小散热片， 采用场效应管作为功率驱动管。 本电路中的场效应管采用简法驱动， 实践证明， 该功率放大电路性能稳定， 发热极少， 能有效地缩小线路板体积。 经功率放大后的信号由高频变压器升压到峰峰值 250～350 V， 送到压电陶瓷片转换为超声机械振荡。

    1.6 谐振点的扫描搜索

    压电陶瓷片的谐振点自动扫描搜索是本电路的一大特点和难点。 由于压电陶瓷片的谐振点各不相同， 为了让电路能适应各种压电陶瓷片， 笔者设计了谐振点自动扫描搜索电路。 当 PICl6F73 刚上电， 且引脚开关接通时， CCPl 的PWM 输出脉宽固定为 80％， 从而 TL494 的 9 脚和 10 脚的输出信号脉宽固定不变。 同时 PICl6F73 周期地发送数据到数字电位器 MCP41010， 使 MCP41010 的 6 脚和 5 脚问的电阻从 O 步进到 10 kΩ， 则 TL494 的 9 脚和 lO 脚的输出频率以 15． 6～30． 4 Hz 步进变化。 占空比固定不变的信号， 当振荡信号频率与压电陶瓷片的谐振频率一致时，流经场效应管源漏极的电流最大。 该电流由采样电阻 Ra 转变为电压信号， 经运放放大后送到 PICl6F73 的 RAO， PIC16F73 对该电压进行 A／ D 转换为数值 Q， 记忆住 Q 为最大值时送到数字电位器的数据 P。 当数字电位器由 O 变化到 10 kΩ 时， 压电陶瓷片谐振点的扫描搜索完成。 把数据 P 送到数字电位器， 则 TL494 输出固定频率的振荡信号， 即是压电陶瓷片的谐振频率。 运放的选型一定要注意带宽大于 2 MHz， 因为采样电阻 Ra 的峰值电压在扫描搜索时变化很快， 如果运放的带宽不足， 则可能找不到压电陶瓷片的最佳谐振点。 本电路选用带宽为 2． 8 MHz 的 MCP602。

    2 软件设计

    本洁牙机的硬件设计稍显复杂， 软件设计相对简单。 软件总流程图如图 4 所示， 压电陶瓷片谐振点扫描搜索子程序流程如图 5 所示。

    3 抗干扰设计

    沽牙机自身有电磁阀、 脚踩开关、 高频变压器等器件会产生较强的干扰。 另外， 本机还配套用于牙科治疗台， 该治疗台有好几台功率较强的电机在工作， 会对洁牙机造成严重的电磁干扰。 当干扰信号来临时， 可能出现死机， 程序乱飞， 破坏系统参数等不正常现象， 故而在硬件和软件上都相应采取一些抗干扰措施。

    3.1 硬件抗干扰

    在洁牙机的电源输入端接入电源滤波器， 滤除电网中的高次谐波和脉冲干扰。 单片机选型时选择带硬件看门狗的型号， 或者外加看门狗电路， 可以有效地监视程序是否陷入死循环故障。 在每个芯片的电源输入端与共地端并接一个 O． 1 μF 去耦电容， 对脚开关送来的信号进行光隔离。 以上措施都是行之有效的。

    3.2 软件抗干扰

    第一， 软件冗余。 对任意的输出信号和设置均不断重复刷新， 且周期设定在 5 ms。 对 A／ D 转换采用转换 8 次求平均法， 以得到尽量准确的信号。

    第二， 软件陷阱。 软件陷阱技术是通过跳转指令强行将捕获到的乱飞程序引入复位地址 0000H， 使程序纳入正轨。在各控制模块之间和未使用的程序空间设置软件陷阱可以有效地抑制程序乱飞， 使程序运行更加可靠。

    结 语

    该智能超声波洁牙机已批量生产。 实测表明， 该机谐振点扫描搜索准确， 在工作环境温度 0～60℃ ， 压电陶瓷片谐振范围在 25～35 kHz 的情况下， 谐振点漂移小于 10 Hz。 实践证明， 该电路性能稳定可靠， 故障率极低。 如对该电路稍加改进， 便可应用于更广泛的超声清洁领域， 该电路具有明显的推广应用价值。

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