智能超声波洁牙机的设计

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1、智能超声波洁牙机的设计来源：单片机及嵌入式系统应用 作者：漳州师范学院张华林摘 要：介绍在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。关毽词：超声波 洁牙机 推挽功率放大 电流取样反馈　   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

2、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

3、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10～20W，且要求在180～250V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

4、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)·1．25V，限流电阻为1Ω，故输人电流被限制在0．3V／1Ω=0．3A。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≤8

5、0Hz。PIC16F73的PWM输出在25～35kHz频率下，步进频率≥lOOHz，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

6、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25～35kHz，步进频率≤80Hz的要求，图2电路中的Rw是阻值为20kΩ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5kΩ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10kΩ，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39．0625Ω。振荡器的步进频率为：

7、   　   振荡频率为35kHz时的步进频率为30．4Hz，振荡频率为25kHz时的步进频率为15．6Hz。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。1.4 强度控制   本洁牙机设计了灵敏的强度控制电路。PIC16F73的RAl脚外接电位器Rw1，调在不同位置则RAl输入的模拟电压不同，经PICl6F73内部A／D转换为数字信号，该信号决定由CCPl输出的PWM信号的占空比。PWM信号经滤波后送到TI．494的2脚，与l脚送入的参考电压比较，从而决定TL

8、494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PICl6F73的PWM输出占空比为0，TL494的9脚和10脚输出振荡信号占空比为O，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TL494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1．1A，为减少功率管发热，缩小散热片，采用场效应管作为