一種超聲波潔牙機(jī)設(shè)計方案
一、硬件設(shè)計
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/388707.htm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(jī)械振動信號,該機(jī)械振動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、電源設(shè)計
超聲潔牙機(jī)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(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(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≥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(diǎn)。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(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PICl6F73控制下的細(xì)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(xì)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(jìn)阻值是39.0625 Ω。振蕩器的步進(jìn)頻率為:
振蕩頻率為35 kHz時的步進(jìn)頻率為30.4 Hz,振蕩頻率為25 kHz時的步進(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。
4、強(qiáng)度控制
本潔牙機(jī)設(shè)計了靈敏的強(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,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(dāng)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(jī)停止機(jī)械振蕩輸出。
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1.1 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(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。
6、諧振點(diǎn)的掃描搜索
壓電陶瓷片的諧振點(diǎn)自動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)計了諧振點(diǎn)自動掃描搜索電路。當(dāng)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(jìn)到10 kΩ,則TL494的9腳和lO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,當(dāng)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(yùn)放放大后送到PICl6F73的RAO,PIC16F73對該電壓進(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,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,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)椴蓸与娮鑂a的峰值電壓在掃描搜索時變化很快,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。
二、軟件設(shè)計
本潔牙機(jī)的硬件設(shè)計稍顯復(fù)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(jī)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(qiáng)的干擾。另外,本機(jī)還配套用于牙科治療臺,該治療臺有好幾臺功率較強(qiáng)的電機(jī)在工作,會對潔牙機(jī)造成嚴(yán)重的電磁干擾。當(dāng)干擾信號來臨時,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。
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(jìn)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(fù)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(zhǔn)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(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引入復(fù)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(yùn)行更加可靠。
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