智能超聲波潔牙機的設(shè)計

1 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。

1．1 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／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。最簡單的方法是由picl6f73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≥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。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pic16f73控制下的細調(diào)電位器。經(jīng)計算rw粗調(diào)(以ic4為5 kω計)，使廠fosc變化范圍為24．5～35．7 khz，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39.0625ω。振蕩器的步進頻率為：hz,振蕩頻率為35khz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。

1．4 強度控制

本潔牙機設(shè)計了靈敏的強度控制電路。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，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％。當引腳開關(guān)斷開時，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)過功率放大。由于功率管流過的瞬間電流達到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。

1．6 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(shè)計了諧振點自動掃描搜索電路。當pic16f73剛上電，且引腳開關(guān)接通時，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步進到10 kω，則tl494的9腳和10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?，?jīng)運放放大后送到pic16f73的ra0，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。

2 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，壓電陶瓷片諧振點掃描搜索子程序流程如圖5所示。

3 抗干擾設(shè)計

潔牙機自身有電磁閥、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。

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．1μf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。

3．2 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，使程序運行更加可靠。

結(jié) 語

該智能超聲波潔牙機已批量生產(chǎn)。實測表明，該機諧振點掃描搜索準確，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，諧振點漂移小于10 hz。實踐證明，該電路性能穩(wěn)定可靠，故障率極低。如對該電路稍加改進，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值。