智能超聲波潔牙機(jī)的設(shè)計(jì)

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1、智能超聲波潔牙機(jī)的設(shè)計(jì)來源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用?作者：漳州師范學(xué)院張華林摘?要：介紹在單片機(jī)控制下智能超聲波潔牙機(jī)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)，特別介紹硬件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題：穩(wěn)定振蕩信號(hào)的產(chǎn)生；振蕩信號(hào)的強(qiáng)度控制及輸出控制；諧振點(diǎn)的自動(dòng)掃描搜索。關(guān)毽詞：超聲波?潔牙機(jī)?推挽功率放大?電流取樣反饋　???超聲波潔牙機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外所用超聲波潔牙機(jī)多采用模擬振蕩電路。存在如下缺陷：第一，振蕩頻率容易漂移。在連續(xù)工作一段時(shí)間后，振蕩頻率漂移，造成潔牙機(jī)工作不正常。第二，由于壓電陶瓷片諧振頻帶范圍窄，諧振頻率點(diǎn)采用手動(dòng)搜索，不容易找準(zhǔn)。本人設(shè)計(jì)的超聲波沽牙機(jī)以單片

2、機(jī)為核心，采用電流取樣反饋?zhàn)詣?dòng)掃描搜索諧振點(diǎn)，諧振頻率和振蕩強(qiáng)度數(shù)字鎖定，諧振點(diǎn)漂移極小，從而在根本上解決了上述問題。該電路設(shè)計(jì)思路新穎，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠?！?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

3、.1電源設(shè)計(jì)???超聲潔牙機(jī)在正常工作時(shí)功率為10～20W，且要求在180～250V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／RI)·1．25V，限流電阻為1Ω，故輸人電流被限制在0．3V／1Ω=0．3A。1．2?振蕩電路???振蕩信號(hào)的產(chǎn)生有多種方法。

4、最簡(jiǎn)單的方法是由PIC16F73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≤80Hz。PIC16F73的PWM輸出在25～35kHz頻率下，步進(jìn)頻率≥lOOHz，因此PICl6F73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(hào)由TL494的9腳和10腳輸出，該信號(hào)的頻率由T1。494的5腳

5、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25～35kHz，步進(jìn)頻率≤80Hz的要求，圖2電路中的Rw是阻值為20kΩ的粗調(diào)電位器，數(shù)字電位器IC4是PICl6F73控制下的細(xì)調(diào)電位器。經(jīng)計(jì)算Rw粗調(diào)(以1C4為5kΩ計(jì))，使，fosc變化范圍為24．5～35．7kHz，滿足要求。細(xì)調(diào)的數(shù)字電位器IC4選用總阻值10kΩ，256級(jí)可調(diào)的MCP41010，MCP41010與PIcl6F73的通信

6、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：???　???振蕩頻率為35kHz時(shí)的步進(jìn)頻率為30．4Hz，振蕩頻率為25kHz時(shí)的步進(jìn)頻率為15．6Hz。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(hào)，該信號(hào)決定由CCPl輸出的PWM信號(hào)的占空比。PWM信號(hào)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

7、和10腳輸出的振蕩信號(hào)脈寬在0～48％。當(dāng)引腳開關(guān)斷開時(shí)，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(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