智能超聲波潔牙機(jī)的設(shè)計(jì)

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路框圖如圖1所示。該潔牙機(jī)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(hào)的占空比和頻率受mpu控制，該振蕩信號(hào)經(jīng)功率放大電路放大，經(jīng)高頻變壓器升壓后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片，把超聲振蕩電信號(hào)轉(zhuǎn)為超聲機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，該機(jī)械振動(dòng)能良好地清除牙垢和牙結(jié)石等，從而達(dá)到美觀牙齒的效果。

1．1 電源設(shè)計(jì)

超聲潔牙機(jī)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(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(jī)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(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性集成電路，片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源，一個(gè)占空比周期控制振蕩器驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(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(hào)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(hào)。因而功率放大電路只能工作在正半周，效率低，發(fā)熱較嚴(yán)重，不利于電路穩(wěn)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(shè)計(jì)的振蕩電路圓滿解決了上述問題。

振蕩電路控制芯片采用tl494，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(hào)由tl494的9腳和10腳輸出，該信號(hào)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(yīng)選用低溫漂的電阻和電容。該信號(hào)振蕩頻率計(jì)算公式為：fosc=1.1/2rt?ct；該信號(hào)的占空比由tl494的1腳和2腳的外接信號(hào)電壓決定。

1．3 頻率控制

為滿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(diào)電位器，數(shù)字電位器ic4是pic16f73控制下的細(xì)調(diào)電位器。經(jīng)計(jì)算rw粗調(diào)(以ic4為5 kω計(jì))，使廠fosc變化范圍為24．5～35．7 khz，滿足要求。細(xì)調(diào)的數(shù)字電位器ic4選用總阻值10 kω，256級(jí)可調(diào)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(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。

1．4 強(qiáng)度控制

本潔牙機(jī)設(shè)計(jì)了靈敏的強(qiáng)度控制電路。pic16f73的ra1腳外接電位器rw1，調(diào)在不同位置則ra1輸入的模擬電壓不同，經(jīng)pic16f73內(nèi)部a／d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)決定由ccp1輸出的pwm信號(hào)的占空比。pwm信號(hào)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(hào)脈寬在o～48％。當(dāng)引腳開關(guān)斷開時(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(hào)占空比為o，從而控制潔牙機(jī)停止機(jī)械振蕩輸出。

1．5 推挽功率放大

超聲機(jī)械振蕩為了起到良好的潔牙效果，機(jī)械振蕩必須達(dá)到一定的強(qiáng)度，即送到壓電陶瓷片的由tl494輸出的振蕩信號(hào)必須先經(jīng)過功率放大。由于功率管流過的瞬間電流達(dá)到1．1a，為減少功率管發(fā)熱，縮小散熱片，采用場(chǎng)效應(yīng)管作為功率驅(qū)動(dòng)管。本電路中的場(chǎng)效應(yīng)管采用簡(jiǎn)法驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(hào)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(jī)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(yīng)各種壓電陶瓷片，筆者設(shè)計(jì)了諧振點(diǎn)自動(dòng)掃描搜索電路。當(dāng)pic16f73剛上電，且引腳開關(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(hào)脈寬固定不變。同時(shí)pic16f73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(hào)，當(dāng)振蕩信號(hào)頻率與壓電陶瓷片的諧振頻率一致時(shí)，流經(jīng)場(chǎng)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?hào)，經(jīng)運(yùn)放放大后送到pic16f73的ra0，pic16f73對(duì)該電壓進(jìn)行a／d轉(zhuǎn)換為數(shù)值q，記憶住q為最大值時(shí)送到數(shù)字電位器的數(shù)據(jù)p。當(dāng)數(shù)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(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(hào)，即是壓電陶瓷片的諧振頻率。運(yùn)放的選型一定要注意帶寬大于2 mhz，因?yàn)椴蓸与娮鑢a的峰值電壓在掃描搜索時(shí)變化很快，如果運(yùn)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(shè)計(jì)

本潔牙機(jī)的硬件設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)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(shè)計(jì)

潔牙機(jī)自身有電磁閥、腳踩開關(guān)、高頻變壓器等器件會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。另外，本機(jī)還配套 用于牙科治療臺(tái)，該治療臺(tái)有好幾臺(tái)功率較強(qiáng)的電機(jī)在工作，會(huì)對(duì)潔牙機(jī)造成嚴(yán)重的電磁干擾。當(dāng)干擾信號(hào)來臨時(shí)，可能出現(xiàn)死機(jī)，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(yīng)采取一些抗干擾措施。

3．1 硬件抗干擾

在潔牙機(jī)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(jī)選型時(shí)選擇帶硬件看門狗的型號(hào)，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(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(duì)腳開關(guān)送來的信號(hào)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(duì)任意的輸出信號(hào)和設(shè)置均不斷重復(fù)刷新，且周期設(shè)定在5 ms。對(duì)a／d轉(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換8次求平均法，以得到盡量準(zhǔn)確的信號(hào)。

第二，軟件陷阱。軟件陷阱技術(shù)是通過跳轉(zhuǎn)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引入復(fù)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(shè)置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛，使程序運(yùn)行更加可靠。

結(jié) 語

該智能超聲波潔牙機(jī)已批量生產(chǎn)。實(shí)測(cè)表明，該機(jī)諧振點(diǎn)掃描搜索準(zhǔn)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(wěn)定可靠，故障率極低。如對(duì)該電路稍加改進(jìn)，便可應(yīng)用于更廣泛的超聲清潔領(lǐng)域，該電路具有明顯的推廣應(yīng)用價(jià)值。