以单片机为核心的超声波洁牙机软硬件设计方案

本文探讨以单片机为核心的超声波洁牙机软硬件设计，该洁牙机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，解决了采用模拟振荡电路设计的超声波洁牙机的一些固有缺陷，

一、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、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。

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。



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。

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TL494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。

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1．1 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。

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PICl6F73刚上电，且引脚开关接通时，CCPl的PWM输出脉宽固定为80％，从而TL494的9脚和10脚的输出信号脉宽固定不变。同时PICl6F73周期地发送数据到数字电位器MCP41010，使MCP41010的6脚和5脚问的电阻从O步进到10 kΩ，则TL494的9脚和lO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PICl6F73的RAO，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O变化到10 kΩ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TL494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 MHz，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。