智能超聲波潔牙機的設計

1 硬件設計

硬件電路框圖如圖1所示。該潔牙機的基本工作過(guò)程如下：tl494為核心振蕩電路在mpu控制下產(chǎn)生占空比可控的推挽脈沖輸出，由mpu串行發(fā)送數據到振蕩頻率控制電路，控制振蕩產(chǎn)生電路的振蕩頻率，使振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號的占空比和頻率受mpu控制，該振蕩信號經(jīng)功率放大電路放大，經(jīng)高頻變壓器升壓后驅動(dòng)壓電陶瓷片，把超聲振蕩電信號轉為超聲機械振動(dòng)信號，該機械振動(dòng)能良好地清除牙垢和牙結石等，從而達到美觀(guān)牙齒的效果。

1．1 電源設計

超聲潔牙機在正常工作時(shí)功率為10～20 w，且要求在180～250 v的寬電壓范圍內工作．為滿(mǎn)足要求，減少電源部分發(fā)熱，本電路電源部分采用開(kāi)關(guān)電源。整機電路原理圖如圖2所示。

本開(kāi)關(guān)電源采用摩托羅拉公司的dc—dc控制芯片mc34063，該電路具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本低廉，效率高，溫升低的特點(diǎn)。核心元件mc34063是一種單片雙極型線(xiàn)性集成電路，片內包含有溫度補償帶隙基準源，一個(gè)占空比周期控制振蕩器驅動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)。輸出電壓u=(1+r2／r1)·1．25 v，限流電阻為1ω，故輸入電流被限制在0.3 v／1 ω=0.3 a。

1．2 振蕩電路

振蕩信號的產(chǎn)生有多種方法。最簡(jiǎn)單的方法是由picl6f73直接產(chǎn)生pwm輸出，該方法簡(jiǎn)潔方便，但有兩個(gè)缺陷：第一，不能產(chǎn)生推挽振蕩信號。因而功率放大電路只能工作在正半周，效率低，發(fā)熱較嚴重，不利于電路穩定工作。第二，壓電陶瓷片的諧振點(diǎn)在(30±5)khz，諧振頻帶寬度≤80 hz。：pic16f73的pwm輸出在25～35 khz頻率下，步進(jìn)頻率≥100 hz，因此pic16f73的pwm輸出可能找不到壓電陶瓷片的最佳諧振點(diǎn)。筆者設計的振蕩電路圓滿(mǎn)解決了上述問(wèn)題。

振蕩電路控制芯片采用tl494，該芯片內部框圖如圖3所示，具體電路見(jiàn)圖2。推挽振蕩信號由tl494的9腳和10腳輸出，該信號的頻率由tl494的5腳和6腳外接的電容ct和電阻rt決定，rt和ct應選用低溫漂的電阻和電容。該信號振蕩頻率計算公式為：fosc=1.1/2rt?ct；該信號的占空比由tl494的1腳和2腳的外接信號電壓決定。

1．3 頻率控制

為滿(mǎn)足壓電陶瓷片振蕩頻率為25～35 khz，步進(jìn)頻率≤80 hz的要求，圖2電路中的rw是阻值為20 kω的粗調電位器，數字電位器ic4是pic16f73控制下的細調電位器。經(jīng)計算rw粗調(以ic4為5 kω計)，使廠(chǎng)fosc變化范圍為24．5～35．7 khz，滿(mǎn)足要求。細調的數字電位器ic4選用總阻值10 kω，256級可調的mcp41010，mcp41010與picl6f73的通信采用方便快捷的spi方式，步進(jìn)阻值是39.0625ω。振蕩器的步進(jìn)頻率為：hz,振蕩頻率為35khz時(shí)的步進(jìn)頻率為30．4 hz，振蕩頻率為25 khz時(shí)的步進(jìn)頻率為15．6 hz。由上述數據可知，采用數字電位器控制tl494工作方式可滿(mǎn)足壓電陶瓷片諧振帶寬的要求。

1．4 強度控制

本潔牙機設計了靈敏的強度控制電路。pic16f73的ra1腳外接電位器rw1，調在不同位置則ra1輸入的模擬電壓不同，經(jīng)pic16f73內部a／d轉換為數字信號，該信號決定由ccp1輸出的pwm信號的占空比。pwm信號經(jīng)濾波后送到tl494的2腳，與1腳送入的參考電壓比較，從而決定tl494的9腳和10腳輸出的振蕩信號脈寬在o～48％。當引腳開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，pic16f73判斷到rc3輸入為高電平，則pic16f73的pwm輸出占空比為0，tl494的9腳和10腳輸出振蕩信號占空比為o，從而控制潔牙機停止機械振蕩輸出。

1．5 推挽功率放大

超聲機械振蕩為了起到良好的潔牙效果，機械振蕩必須達到一定的強度，即送到壓電陶瓷片的由tl494輸出的振蕩信號必須先經(jīng)過(guò)功率放大。由于功率管流過(guò)的瞬間電流達到1．1a，為減少功率管發(fā)熱，縮小散熱片，采用場(chǎng)效應管作為功率驅動(dòng)管。本電路中的場(chǎng)效應管采用簡(jiǎn)法驅動(dòng)，實(shí)踐證明，該功率放大電路性能穩定，發(fā)熱極少，能有效地縮小線(xiàn)路板體積。經(jīng)功率放大后的信號由高頻變壓器升壓到峰峰值250～350 v，送到壓電陶瓷片轉換為超聲機械振蕩。

1．6 諧振點(diǎn)的掃描搜索

壓電陶瓷片的諧振點(diǎn)自動(dòng)掃描搜索是本電路的一大特點(diǎn)和難點(diǎn)。由于壓電陶瓷片的諧振點(diǎn)各不相同，為了讓電路能適應各種壓電陶瓷片，筆者設計了諧振點(diǎn)自動(dòng)掃描搜索電路。當pic16f73剛上電，且引腳開(kāi)關(guān)接通時(shí)，ccp1的pwm輸出脈寬固定為80％，從而tl494的9腳和1o腳的輸出信號脈寬固定不變。同時(shí)pic16f73周期地發(fā)送數據到數字電位器mcp41010，使mcp41010的6腳和5腳間的電阻從o步進(jìn)到10 kω，則tl494的9腳和10腳的輸出頻率以15．6～30．4 hz步進(jìn)變化。占空比固定不變的信號，當振蕩信號頻率與壓電陶瓷片的諧振頻率一致時(shí)，流經(jīng)場(chǎng)效應管源漏極的電流最大。該電流由采樣電阻ra轉變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)運放放大后送到pic16f73的ra0，pic16f73對該電壓進(jìn)行a／d轉換為數值q，記憶住q為最大值時(shí)送到數字電位器的數據p。當數字電位器由o變化到10 kω時(shí)，壓電陶瓷片諧振點(diǎn)的掃描搜索完成。把數據p送到數字電位器，則tl494輸出固定頻率的振蕩信號，即是壓電陶瓷片的諧振頻率。運放的選型一定要注意帶寬大于2 mhz，因為采樣電阻ra的峰值電壓在掃描搜索時(shí)變化很快，如果運放的帶寬不足，則可能找不到壓電陶瓷片的最佳諧振點(diǎn)。本電路選用帶寬為2．8 mhz的mcp602。

2 軟件設計

本潔牙機的硬件設計稍顯復雜，軟件設計相對簡(jiǎn)單。軟件總流程圖如圖4所示，壓電陶瓷片諧振點(diǎn)掃描搜索子程序流程如圖5所示。

3 抗干擾設計

潔牙機自身有電磁閥、腳踩開(kāi)關(guān)、高頻變壓器等器件會(huì )產(chǎn)生較強的干擾。另外，本機還配套 用于牙科治療臺，該治療臺有好幾臺功率較強的電機在工作，會(huì )對潔牙機造成嚴重的電磁干擾。當干擾信號來(lái)臨時(shí)，可能出現死機，程序亂飛，破壞系統參數等不正?，F象，故而在硬件和軟件上都相應采取一些抗干擾措施。

3．1 硬件抗干擾

在潔牙機的電源輸入端接入電源濾波器，濾除電網(wǎng)中的高次諧波和脈沖干擾。單片機選型時(shí)選擇帶硬件看門(mén)狗的型號，或者外加看門(mén)狗電路，可以有效地監視程序是否陷入死循環(huán)故障。在每個(gè)芯片的電源輸入端與共地端并接一個(gè)o．1μf去耦電容，對腳開(kāi)關(guān)送來(lái)的信號進(jìn)行光隔離。以上措施都是行之有效的。

3．2 軟件抗干擾

第一，軟件冗余。對任意的輸出信號和設置均不斷重復刷新，且周期設定在5 ms。對a／d轉換采用轉換8次求平均法，以得到盡量準確的信號。

第二，軟件陷阱。軟件陷阱技術(shù)是通過(guò)跳轉指令強行將捕獲到的亂飛程序引入復位地址ooooh，使程序納入正軌。在各控制模塊之間和未使用的程序空間設置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛，使程序運行更加可靠。

結 語(yǔ)

該智能超聲波潔牙機已批量生產(chǎn)。實(shí)測表明，該機諧振點(diǎn)掃描搜索準確，在工作環(huán)境溫度o～60℃，壓電陶瓷片諧振范圍在25～35 khz的情況下，諧振點(diǎn)漂移小于10 hz。實(shí)踐證明，該電路性能穩定可靠，故障率極低。如對該電路稍加改進(jìn)，便可應用于更廣泛的超聲清潔領(lǐng)域，該電路具有明顯的推廣應用價(jià)值。