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基于单片机的智能超声波洁牙机设计

导读: 本文介绍了单片机控制下智能超声波洁牙机的硬件设计、软件设计和抗干扰设计,特别介绍硬件设计中的几个关键问题:稳定振荡信号的产生;振荡信号的强度控制及输出控制;谐振点的自动扫描搜索。

  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。本人设计的超声波沽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:TL494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。

 

  

 

  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/RI)·1.25 V,限流电阻为1 Ω,故输人电流被限制在0.3 V/1 Ω=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≥lOO Hz,因此PICl6F73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TLt94,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TL494的9脚和10脚输出,该信号的频率由T1。494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:fosc=1.1/2Rt·Ct;该信号的占空比由TL494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 kHz,步进频率≤80 Hz的要求,图2电路中的Rw是阻值为20 kΩ的粗调电位器,数字电位器IC4是PICl6F73控制下的细调电位器。经计算Rw粗调(以1C4为5 kΩ计),使,fosc变化范围为24.5~35.7kHz,满足要求。细调的数字电位器IC4选用总阻值10 kΩ,256级可调的MCP41010,MCP41010与PIcl6F73的通信采用方便快捷的SPI方式,步进阻值是39.0625 Ω。振荡器的步进频率为:

  

  振荡频率为35 kHz时的步进频率为30.4 Hz,振荡频率为25 kHz时的步进频率为15.6 Hz。由上述数据可知,采用数字电位器控制TL494工作方式可满足压电陶瓷片谐振带宽的要求。

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