基于單片機的超聲波潔牙機軟硬件設(shè)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(shè)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(shè)計的超聲波潔牙機的一些固有缺陷，

一、硬件設(shè)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(shè)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(guān)電源。整機電路原理圖如圖2所示。

本開關(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(guān)。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(shè)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(yīng)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(shè)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(guān)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(yīng)管作為功率驅(qū)動管。本電路中的場效應(yīng)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(yīng)各種壓電陶瓷片，筆者設(shè)計了諧振點自動掃描搜索電路。當PICl6F73剛上電，且引腳開關(guān)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(yīng)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?，?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(shè)計

本潔牙機的硬件設(shè)計稍顯復雜，軟件設(shè)計相對簡單。軟件總流程圖如圖4所示。

三、抗干擾設(shè)計

沽牙機自身有電磁閥、腳踩開關(guān)、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?，F(xiàn)象，故而在硬件和軟件上都相應(yīng)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(guān)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(shè)置均不斷重復刷新，且周期設(shè)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(shù)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(shè)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。