基于單片機的超聲波潔牙機軟硬件設計方案

本文探討以單片機為核心的超聲波潔牙機軟硬件設計，該潔牙機采用電流取樣反饋自動掃描搜索諧振點，諧振頻率和振蕩強度數(shù)字鎖定，諧振點漂移極小，解決了采用模擬振蕩電路設計的超聲波潔牙機的一些固有缺陷，

一、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(shù)據(jù)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(qū)動壓電陶瓷片，把超聲振蕩電信號轉(zhuǎn)為超聲機械振動信號，該機械振動能良好地清除牙垢和牙結(jié)石等，從而達到美觀牙齒的效果。

1、電源設計

超聲潔牙機在正常工作時功率為10～20 W，且要求在180～250 V的寬電壓范圍內(nèi)工作，為滿足要求，減少電源部分發(fā)熱，本電路電源部分采用開關電源。整機電路原理圖如圖2所示。

本開關電源采用摩托羅拉公司的DC-DC控制芯片MC34063，該電路具有線路簡單，成本低廉，效率高，溫升低的特點。核心元件MC34063是一種單片雙極型線性集成電路，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源，一個占空比周期控制振蕩器驅(qū)動器和大電流輸出開關。輸出電壓U=（1+R2／RI）·1.25 V，限流電阻為1 Ω，故輸人電流被限制在0.3 V／1 Ω=0.3 A。

2、 振蕩電路

振蕩信號的產(chǎn)生有多種方法。最簡單的方法是由PIC16F73直接產(chǎn)生PWM輸出，該方法簡潔方便，但有兩個缺陷：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(wěn)定工作。第二，壓電陶瓷片的諧振點在（30±5）kHz，諧振頻帶寬度≤80 Hz。PIC16F73的PWM輸出在25～35 kHz頻率下，步進頻率≥lOO Hz，因此PICl6F73的PWM輸出可能找不到壓電陶瓷片的最佳諧振點。筆者設計的振蕩電路圓滿解決了上述問題。

振蕩電路控制芯片采用TLt94，該芯片內(nèi)部框圖如圖3所示，具體電路見圖2。推挽振蕩信號由TL494的9腳和10腳輸出，該信號的頻率由T1。494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。

3、頻率控制

為滿足壓電陶瓷片振蕩頻率為25～35 kHz，步進頻率≤80 Hz的要求，圖2電路中的Rw是阻值為20 kΩ的粗調(diào)電位器，數(shù)字電位器IC4是PICl6F73控制下的細調(diào)電位器。經(jīng)計算Rw粗調(diào)（以1C4為5 kΩ計），使，fosc變化范圍為24.5～35.7kHz，滿足要求。細調(diào)的數(shù)字電位器IC4選用總阻值10 kΩ，256級可調(diào)的MCP41010，MCP41010與PIcl6F73的通信采用方便快捷的SPI方式，步進阻值是39.0625 Ω。振蕩器的步進頻率為：

振蕩頻率為35 kHz時的步進頻率為30.4 Hz，振蕩頻率為25 kHz時的步進頻率為15.6 Hz。由上述數(shù)據(jù)可知，采用數(shù)字電位器控制TL494工作方式可滿足壓電陶瓷片諧振帶寬的要求。

4、強度控制

本潔牙機設計了靈敏的強度控制電路。PIC16F73的RAl腳外接電位器Rw1，調(diào)在不同位置則RAl輸入的模擬電壓不同，經(jīng)PICl6F73內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該信號決定由CCPl輸出的PWM信號的占空比。PWM信號經(jīng)濾波后送到TI.494的2腳，與l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0～48％。當引腳開關斷開時，PIC16F73判斷到RC3輸入為高電平，則PICl6F73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。

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)過功率放大。由于功率管流過的瞬間電流達到1.1 A，為減少功率管發(fā)熱，縮小散熱片，采用場效應管作為功率驅(qū)動管。本電路中的場效應管采用簡法驅(qū)動，實踐證明，該功率放大電路性能穩(wěn)定，發(fā)熱極少，能有效地縮小線路板體積。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(zhuǎn)換為超聲機械振蕩。

6、諧振點的掃描搜索

壓電陶瓷片的諧振點自動掃描搜索是本電路的一大特點和難點。由于壓電陶瓷片的諧振點各不相同，為了讓電路能適應各種壓電陶瓷片，筆者設計了諧振點自動掃描搜索電路。當PICl6F73剛上電，且引腳開關接通時，CCPl的PWM輸出脈寬固定為80％，從而TL494的9腳和10腳的輸出信號脈寬固定不變。同時PICl6F73周期地發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器MCP41010，使MCP41010的6腳和5腳問的電阻從O步進到10 kΩ，則TL494的9腳和lO腳的輸出頻率以15.6～30.4 Hz步進變化。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，流經(jīng)場效應管源漏極的電流最大。該電流由采樣電阻Ra轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)運放放大后送到PICl6F73的RAO，PIC16F73對該電壓進行A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)值Q，記憶住Q為最大值時送到數(shù)字電位器的數(shù)據(jù)P。當數(shù)字電位器由O變化到10 kΩ時，壓電陶瓷片諧振點的掃描搜索完成。把數(shù)據(jù)P送到數(shù)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。本電路選用帶寬為2.8 MHz的MCP602。

二、軟件設計

本潔牙機的硬件設計稍顯復雜，軟件設計相對簡單。軟件總流程圖如圖4所示。

三、抗干擾設計

沽牙機自身有電磁閥、腳踩開關、高頻變壓器等器件會產(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，會對潔牙機造成嚴重的電磁干擾。當干擾信號來臨時，可能出現(xiàn)死機，程序亂飛，破壞系統(tǒng)參數(shù)等不正常現(xiàn)象，故而在硬件和軟件上都相應采取一些抗干擾措施。

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。單片機選型時選擇帶硬件看門狗的型號，或者外加看門狗電路，可以有效地監(jiān)視程序是否陷入死循環(huán)故障。在每個芯片的電源輸入端與共地端并接一個O.1 μF去耦電容，對腳開關送來的信號進行光隔離。以上措施都是行之有效的。

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(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換8次求平均法，以得到盡量準確的信號。

第二，軟件陷阱。軟件陷阱技術是通過跳轉(zhuǎn)指令強行將捕獲到的亂飛程序引入復位地址0000H，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。