一種低溫超聲波潔牙機的設計

譚剛林

(長沙民政職業技術學院,湖南 長沙 410004)

一種低溫超聲波潔牙機的設計

譚剛林

(長沙民政職業技術學院,湖南 長沙 410004)

文中介紹了單片機控制的一種低溫潔牙機的設計,該設計最大的特點是能夠自動搜索諧振頻率點,溫度低,工作穩定性高,使用壽命長,解決了普通的潔牙機內溫度過高所帶來的問題。與市面上常見潔牙機相比成本增加不多,具有實用推廣價值。

超聲波;潔牙機;低溫;自動搜索;PWM

1.引言

超聲波潔牙機是一種常用的牙科醫療儀器,主要用于去除牙結石、煙漬、菌斑及茶銹,與手工潔治相比,具有出血少、效率高、無創齒的特點。目前國內外所用超聲波潔牙機多采用單片機控制,頻率點穩定度較高,但是都存在一個很大的缺陷,那就是機內溫度過高,長時間工作容易造成電路工作不穩定。本文設計的超聲波潔牙機以單片機為核心,采用一種新型電源和低內阻的推挽管輸出,比普通超聲波潔牙機內溫度低10℃—20℃,同時采用電流取樣反饋自動掃描搜索諧振點,諧振頻率和振蕩強度自動鎖定,諧振點漂移小,電路中采用了許多抗干擾設計。電路溫度低,工作穩定可靠,使用壽命長。

2.電路設計

硬件電路框圖如圖 1所示。該潔牙機的基本工作過程如下:TL494為核心振蕩電路在MCU控制下產生占空比可調的推挽脈沖輸出,經推挽輸出送給換能器轉換成振動輸出。取樣反饋電路對輸出信號進行采樣,并送回到MCU微處理器,MCU對反饋信號進行分析,輸出調整信號到頻率控制電路調整振蕩電路的頻率點。

2.1 電源設計

圖 1 硬件電路框圖

為了降低機內溫度,采用了電源與潔牙機分離設計,電源做成獨立的電源盒。電源盒采用開關電源 +高效率的 DC-DC來實現,這種設計方式大大降低了潔牙機內的溫度。DC-DC(30V-15V)是Motorola的LM2576來完成的,LM2576的最大電流是 3A,能滿足潔牙機最大 1.3A電流的要求。如圖 2所示,該電路外圍元件少,工作穩定性高,轉換效率可達到 88%(理想值)。開關電源輸出的 +30V電壓經 C1和 C4濾波后送到 LM2576的輸入腳①腳,從第②腳輸出,再經L1,C2濾波,輸出穩定的 +15V電源。第⑤是使能選擇腳,直接接地選擇為電路工作。第④腳為輸出反饋。

電路中所用的 +5V電源由 7805來提供。

圖 2 DC-DC轉換

2.2 主控芯片 PIC16F876

PI C16F876作為主控芯片的控制電路如圖 3所示。PI C16F876是美國微芯公司 (Microchip)推出的CMOS8位 PIC系列單片機,具有實用、低價、指令集小、體積小、功能強等特點。PIC16F876是微芯公司的中檔產品,采用 14位的類 R ISC指令系統,在保持低價格的前提下,增加了 A/D轉換器、內部 E2PROM存儲器 (256)、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C總線和SPI總線接口電路、異步串行通信 (USART)接口電路、模擬電壓比較器、Flash程序存儲器(8K)等許多功能。

PI C16F876具有如下特點:

(1)簡單性:采用類 R ISC指令集,指令數目少,開發容易,周期短。

(2)高速:PIC采用哈佛總線和類精簡指令集,指令的執行速度比一般的單片機要快 4～5倍。

(3)低功耗:PIC采用 CMOS電路設計,結合了諸多的節電特性,使其功耗很低。在 4MHz時鐘下工作耗電不超過 2mA,睡眠模式下低于 1uA。

(4)驅動能力強:I/O端口驅動負載的能力較強,每個 I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達到25mA和 20mA,能夠直接驅動發光二極管、光電耦合器或者微型繼電器等。

(5)外圍電路簡潔:單片機內集成了上電復位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗定時器等,可以最大程度地減少外圍器件。

最重要的一點是 PIC16F876單片機內部集成有 2個 CCP(捕捉、比較、脈寬調制 PWM)模塊。當它工作在 PWM方式下時,具有 2個脈沖寬度調制輸出通道,它們可以產生寬度和周期均由編程決定的 P WM波形。

B口作為功率顯示輸出,利用一個 7段數碼管來顯示當前功率的大小,顯示的功率檔位有 0-9檔。RC4口、RC5口分別作為功率增加與減小按鍵信號輸入。為了防止干擾信號進入,加了 C5、C6進行濾波,并在軟件中設有防抖程序。RC7口作為腳踏開關的檢測端口,在踩下腳踏時,腳踏開關 S1閉合,此時 RC7口檢測到一個低電平信號,啟動電路,開始工作。RC6口輸出一個高電平提供給 Q1,驅動電磁閥吸合,水量開關打開。RA0口是輸出端采樣信號的反饋端口,單片機對反饋回來的信號進行A/D轉換,并與原有數據進行比較分析,自動搜索最佳頻率點。RC1口、RC2口分別輸出振蕩頻率和輸出幅值的調整信號。

2.3 振蕩電路

PI C16F876本身帶有 PWM輸出,但是存在兩個缺陷:第一,不能產生推挽輸出的激勵信號,電路只能在半個周期里工作,效率低,發熱嚴重。第二,超聲波換能器的諧振點在 (30+5)KHz,諧振頻帶寬度≦ 80Hz。PIC16F876的 P WM輸出在 25-35KHz頻率下,步進頻率≧ 100Hz,因此 PI C16F876的 PWM輸出可能找不到換能器的最佳諧振點。針對以上問題所以另外采用了 TL494組成的振蕩電路,如圖 4所示。

圖 3 PI C16F876和周圍部分附屬電路

功率推挽放大所需的激勵信號由⑨腳和⑩輸出,該信號的頻率由第⑤腳的外接電容 CT和第⑥腳的外接電阻 RT來決定的。

選用低溫漂的電阻與電容,降低溫度變化對振蕩頻率的影響。由于電路中 RT的取值比較大,而 CT取得比較小,所以電容對頻率的影響更為明顯。

單片機輸出對頻率的調整信號經 R11、R12、R13、C10、C11、C12組成的三級濾波 ,送到 IC5(LM358)第⑤腳,第⑦輸出后送到 TL494的第⑥腳,從而調整振蕩頻率。

LM358是Motorola的雙通道放大器。該放大器功耗低,有輸出短路保護。

圖 4 振蕩電路

2.4 功率放大與輸出信號采樣

TL494輸出的脈寬調制信號經 R21、R22、R23、R24分壓后送到 Q2、Q3的柵極,分別去推動 Q2、Q3輸出。Q2、Q3的內阻的大小是影響潔牙機內溫度的一個最主要的因素,而潔牙機內的溫度進而會影響 Q2、Q3的工作穩定性,影響輸出功率。所以選取高耐壓、低內阻的功放管成為關鍵。經過眾多試作比較,最后選定了 ST Microelectronics(意法半導體)的 IRF630,I RF630是意法半導體的低內阻 MOSFET,RDS=0.35Ω,VDSS=200V, ID=9A。與意法半導體的I RF730(RDS=0.75Ω,VDSS=400V, ID=5.5A)相比較,溫度明顯降低。實驗證明,I RF630在同等條件下溫度要比 IRF730低 10℃左右。功率放大與輸出信號采樣見圖 5、圖 6。

T1為輸出變壓器,為了提高抗干擾能力,在變壓器初級與級之間繞一個 5-20圈的隔離繞組,隔離繞組的一端接地,另一端懸空。

變壓器初級的電流流經大功率電阻 R27到地。輸出信號的強弱在電阻 R27上反映為電壓的大小,采樣電阻 R27上電壓由 R28、R29、R30、C18、C19、C20組成的濾波器濾波后進入反饋放大環節。

圖 5 功率放大與輸出信號采樣

圖 6 反饋放大

2.5 自動搜索諧振頻率點

現在大多數超聲波換能器的諧振頻率點各不相同,為了使不同的手柄接上去后都保持良好的效果,潔牙機要有自動搜索諧振頻率點的功能。現在市面上較為常見的超聲波換能器的諧振頻率點是 28KHz和30KHz。本設計以 28KHz為基準,向上搜索頻率,搜索到 35KHz時,再返回到 25KHz向上搜索,直到找到最佳頻率點為止。

當單片機上電復位,CCP1的 PWM輸出脈寬固定為 50%,然后再以 20Hz步進增加,輸出電流流經取樣電阻 R27,轉換成電壓信號,經反饋放大送回到PIC16F876的 RA0,單片機對該電壓進行 A/D轉換為數值M,記住M值最大值時送出的數據。保持此數據不變,就能保證電路的振蕩頻率就是超聲波換能器的諧振頻率。

3.同類產品溫度比較

為了比較溫度的差距,筆者從市面上拿了幾款較為常見的潔牙機進行對比實驗。在常溫下 (測得實際溫度為:31℃),最大檔功率工作 1分鐘,關斷 1分鐘,再接著工作 1分鐘,如此循環下去,測得潔牙機內數據如下:

品牌 溫度:℃1小時 2小時 3小時 4小時賽特力 P5 53.5 60 65 64.5 E MS 55 62 68 69國內某品牌 51 57 61 62本設計產品 42 47 49 49

從測試數據可以看出,本設計產品的溫度要比市面上常見的潔牙機的溫度低 14℃--20℃,大大降低了潔牙機內的溫度,提高了電路工作穩定性。

4.結束語

本設計最大的特點是能夠自動搜索諧振頻率點,溫度低,工作穩定性高,使用壽命長,解決了普通的潔牙機內溫度過高所帶來的問題。與市面上常見潔牙機相比成本增加不多,具有實用推廣價值。

[1]Myke Predko著,胡光華譯 .PI C微控制器基礎與實踐[M].北京:科學出版社,2007.

[2]黃華坤,楊濤等 .足球機器人運動控制模塊的設計 [M].微型機與應用,2OO3.

[3]張華林 .智能超聲波潔牙機的設計[M].單片機與嵌入式系統應用,2006.

[4]童師白,華成英 .電子技術基礎 (第三版)[M].北京:高等教育出版社,2001.

TH787

A

1671-5136(2010)03-0111-03

2010-08-25

譚剛林 (1978-),男,湖南邵陽人,長沙民政職業技術學院電子信息工程系教師、碩士。