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智能超声波洁牙机的设计

点击数: 26   发布时间: 2020-02-23 16:42:00   信息来源:

超声波洁牙机在医疗领域已广泛应用。现国内外所 用超声波洁牙机多采用模拟振荡电路。存在如下缺陷:第 一, 振荡频率容易漂移。在连续工作一段时间后, 振荡频 率漂移,造成洁牙机工作不正常。第二, 由于压电陶瓷片 谐振频带范围窄,谐振频率点采用手动搜索, 不容易找准。 本人设计的超声波洁牙机以单片机为核心, 采用电流取样 反馈自动扫描搜索谐振点, 谐振频率和振荡强度数字锁 定, 谐振点漂移极小, 从而在根本上解决了上述问题。该 电路设计思路新颖,抗干扰能力强, 工作稳定可靠。
1  硬件设计
  硬件电路框图如图1 所示。该洁牙机的基本工作过程 如下:T L494 为核心振荡电路在MPU 控制下产生占空比 可控的推挽脉冲输出, 由MPU 串行发送数据到振荡频率 控制电路, 控制振荡产生电路的振荡频率, 使振荡电路产生 的振荡信号的占空比和频率受MPU 控制, 该振荡信号经 功率放大电路放大, 经高频变压器升压后驱动压电陶瓷片, 把超声振荡电信号转为超声机械振动信号, 该机械振动能 良好地清除牙垢和牙结石等, 从而达到美观牙齿的效果。
图 1
1. 1 电源设计
超声洁牙机在正常工作时功率为10 ~ 20 W, 且要求 在180 ~ 250 V 的宽电压范围内工作, 为满足要求, 减少电 源部分发热, 本电路电源部分采用开关电源。整机电路原 理图如图2 所示。 本开关电源采用摩托罗拉公司的DC DC 控制芯片 MC34063 , 该电路具有线路简单, 成本低廉, 效率高, 温升
低的特点。核心元件MC34063 是一种单片双极型线性集 成电路, 片内包含有温度补偿带隙基准源, 一个占空比周 期控制振荡器驱动器和大电流输出开关。输出电压U = (1+R2 /R1) 1. 25 V , 限流电阻为1 Ψ, 故输入电流被限 制在0. 3 V /1 Ψ=0. 3 A 。
1. 2 振荡电路
振荡信号的产生有多种方法。最简单的方法是由 PIC16F73 直接产生PWM 输出, 该方法简洁方便, 但有两 个缺陷:第一, 不能产生推挽振荡信号。因而功率放大电 路只能工作在正半周, 效率低,发热较严重, 不利于电路稳 定工作。第二,压电陶瓷片的谐振点在(30 ±5) kHz , 谐振 频带宽度≤80 Hz 。PIC16F73 的PWM 输出在25 ~ 35 kHz 频率下, 步进频率≥100 Hz , 因此PIC16F73 的PWM 输出 可能找不到压电陶瓷片的最佳谐振点。笔者设计的振荡 电路圆满解决了上述问题。 振荡电路控制芯片采用TL494 , 该芯片内部框图如图3 所示, 具体电路见图2 。推挽振荡信号由T L494 的9 脚和
10 脚输出, 该信号的频率由T L494 的5 脚和6 脚外接的 电容Ct 和电阻Rt 决定,Rt 和Ct 应选用低温漂的电阻和电 容。该信号振荡频率计算公式为:f osc =1. 1 /2Rt Ct ;该信 号的占空比由T L494 的1 脚和2 脚的外接信号电压决定。
1. 3 频率控制
为满足压电陶瓷片振荡频率为25 ~ 35 kH z , 步进频 率≤80 Hz 的要求, 图2 电路中的Rw 是阻值为20 kΨ的 粗调电位器, 数字电位器IC4 是PIC16F73 控制下的细电位器。经计算Rw 粗调(以IC4 为5 kΨ计), 使f osc 变化 范围为24. 5 ~ 35. 7 kHz , 满足要求。细调的数字电位器 IC4 选用总阻值10 k Ψ, 256 级可调的MCP41010 , MCP41010 与PIC16F73 的通信采用方便快捷的SPI 方 式, 步进阻值是39. 0625 Ψ。振荡器的步进频率为: 1. 1 2RT CT - 1. 1 2(RT +39. 0625)CT Hz , 振荡频率为35 kHz 时的步进频率为30. 4 Hz , 振荡频率为25 kH z 时的步进 频率为15. 6 H z 。由上述数据可知, 采用数字电位器控制 T L494 工作方式可满足压电陶瓷片谐振带宽的要求。
1. 4 强度控制
本洁牙机设计了灵敏的强度控制电路。PIC16F73 的 RA1 脚外接电位器Rw1 , 调在不同位置则RA1 输入的模 拟电压不同, 经PIC16F73 内部A /D 转换为数字信号, 该 信号决定由CCP1 输出的PWM 信号的占空比。PWM 信 号经滤波后送到T L494 的2 脚, 与1 脚送入的参考电压 比较, 从而决定T L494 的9 脚和10 脚输出的振荡信号脉 宽在0 ~ 48 %。当引脚开关断开时, PIC16F73 判断到 RC3 输入为高电平, 则PIC16F73 的PWM 输出占空比为 0 , T L494 的9 脚和10 脚输出振荡信号占空比为0 , 从而 控制洁牙机停止机械振荡输出。
1. 5 推挽功率放大
超声机械振荡为了起到良好的洁牙效果, 机械振荡必 须达到一定的强度, 即送到压电陶瓷片的由T L494 输出 的振荡信号必须先经过功率放大。由于功率管流过的瞬 间电流达到1. 1 A , 为减少功率管发热, 缩小散热片, 采用 场效应管作为功率驱动管。本电路中的场效应管采用简 法驱动, 实践证明, 该功率放大电路性能稳定, 发热极少, 能有效地缩小线路板体积。经功率放大后的信号由高频 变压器升压到峰峰值250 ~ 350 V , 送到压电陶瓷片转换 为超声机械振荡

1. 6 谐振点的扫描搜索
压电陶瓷片的谐振点自动扫描搜索是本电路的一大 特点和难点。由于压电陶瓷片的谐振点各不相同, 为了让 电路能适应各种压电陶瓷片, 笔者设计了谐振点自动扫描 搜索电路。当PIC16F73 刚上电, 且引脚开关接通时, CCP1 的PWM 输出脉宽固定为80 %, 从而T L494 的9 脚 和10 脚的输出信号脉宽固定不变。同时PIC16F73 周期 地发送数据到数字电位器MCP41010 , 使MCP41010 的 6 脚和5 脚间的电阻从0 步进到10 kΨ, 则T L494 的9 脚 和10 脚的输出频率以15. 6~ 30. 4 Hz 步进变化。占空比 固定不变的信号, 当振荡信号频率与压电陶瓷片的谐振频 率一致时,流经场效应管源漏极的电流最大。该电流由采 样电阻Ra 转变为电压信号, 经运放放大后送到PIC16F73 的RA0 , PIC16F73 对该电压进行A /D 转换为数值Q , 记 忆住Q 为最大值时送到数字电位器的数据P 。当数字电 位器由0 变化到10 kΨ时, 压电陶瓷片谐振点的扫描搜索 完成。把数据P 送到数字电位器, 则T L494 输出固定频
率的振荡信号,即是压电陶瓷片的谐振频率。运放的选型 一定要注意带宽大于2 M Hz , 因为采样电阻Ra 的峰值电 压在扫描搜索时变化很快, 如果运放的带宽不足, 则可能 找不到压电陶瓷片的最佳谐振点。本电路选用带宽为 2. 8 MHz 的MCP602 。
2  软件设计
  本洁牙机的硬件设计稍显复杂, 软件设计相对简单。 软件总流程图如图4 所示, 压电陶瓷片谐振点扫描搜索子 程序流程如图5 所示。
3  抗干扰设计
  洁牙机自身有电磁 阀、脚踩开关、高频变压 器等器件会产生较强的 干扰。另外, 本机还配套 用于牙科治疗台, 该治疗 台有好几台功率较强的 电机在工作, 会对洁牙机 造成严重的电磁干扰。 当干扰信号来临时, 可能 出现死机, 程序乱飞, 破 坏系统参数等不正常现象,故而在硬件和软件上都相应采
取一些抗干扰措施。
3. 1 硬件抗干扰
  在洁牙机的电源输入端接入电源滤波器, 滤除电网中 的高次谐波和脉冲干扰。单片机选型时选择带硬件看门 狗的型号, 或者外加看门狗电路, 可以有效地监视程序是 否陷入死循环故障。在每个芯片的电源输入端与共地端 并接一个0. 1 μF 去耦电容, 对脚开关送来的信号进行光 隔离。以上措施都是行之有效的。
3. 2 软件抗干扰
第一, 软件冗余。对任意的输出信号和设置均不断重 复刷新, 且周期设定在5 ms 。对A /D 转换采用转换8 次 求平均法, 以得到尽量准确的信号。 第二, 软件陷阱。软件陷阱技术是通过跳转指令强行 将捕获到的乱飞程序引入复位地址0000H , 使程序纳入正 轨。在各控制模块之间和未使用的程序空间设置软件陷 阱可以有效地抑制程序乱飞, 使程序运行更加可靠。

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