一种低温超声波洁牙机的设计

谭刚林

(长沙民政职业技术学院,湖南 长沙 410004)

一种低温超声波洁牙机的设计

谭刚林

(长沙民政职业技术学院,湖南 长沙 410004)

文中介绍了单片机控制的一种低温洁牙机的设计,该设计最大的特点是能够自动搜索谐振频率点,温度低,工作稳定性高,使用寿命长,解决了普通的洁牙机内温度过高所带来的问题。与市面上常见洁牙机相比成本增加不多,具有实用推广价值。

超声波;洁牙机;低温;自动搜索;PWM

1.引言

超声波洁牙机是一种常用的牙科医疗仪器,主要用于去除牙结石、烟渍、菌斑及茶锈,与手工洁治相比,具有出血少、效率高、无创齿的特点。目前国内外所用超声波洁牙机多采用单片机控制,频率点稳定度较高,但是都存在一个很大的缺陷,那就是机内温度过高,长时间工作容易造成电路工作不稳定。本文设计的超声波洁牙机以单片机为核心,采用一种新型电源和低内阻的推挽管输出,比普通超声波洁牙机内温度低10℃—20℃,同时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自动锁定,谐振点漂移小,电路中采用了许多抗干扰设计。电路温度低,工作稳定可靠,使用寿命长。

2.电路设计

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MCU控制下产生占空比可调的推挽脉冲输出,经推挽输出送给换能器转换成振动输出。取样反馈电路对输出信号进行采样,并送回到MCU微处理器,MCU对反馈信号进行分析,输出调整信号到频率控制电路调整振荡电路的频率点。

2.1 电源设计

图 1 硬件电路框图

为了降低机内温度,采用了电源与洁牙机分离设计,电源做成独立的电源盒。电源盒采用开关电源 +高效率的 DC-DC来实现,这种设计方式大大降低了洁牙机内的温度。DC-DC(30V-15V)是Motorola的LM2576来完成的,LM2576的最大电流是 3A,能满足洁牙机最大 1.3A电流的要求。如图 2所示,该电路外围元件少,工作稳定性高,转换效率可达到 88%(理想值)。开关电源输出的 +30V电压经 C1和 C4滤波后送到 LM2576的输入脚①脚,从第②脚输出,再经L1,C2滤波,输出稳定的 +15V电源。第⑤是使能选择脚,直接接地选择为电路工作。第④脚为输出反馈。

电路中所用的 +5V电源由 7805来提供。

图 2 DC-DC转换

2.2 主控芯片 PIC16F876

PI C16F876作为主控芯片的控制电路如图 3所示。PI C16F876是美国微芯公司 (Microchip)推出的CMOS8位 PIC系列单片机,具有实用、低价、指令集小、体积小、功能强等特点。PIC16F876是微芯公司的中档产品,采用 14位的类 R ISC指令系统,在保持低价格的前提下,增加了 A/D转换器、内部 E2PROM存储器 (256)、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信 (USART)接口电路、模拟电压比较器、Flash程序存储器(8K)等许多功能。

PI C16F876具有如下特点:

(1)简单性:采用类 R ISC指令集,指令数目少,开发容易,周期短。

(2)高速:PIC采用哈佛总线和类精简指令集,指令的执行速度比一般的单片机要快 4～5倍。

(3)低功耗:PIC采用 CMOS电路设计,结合了诸多的节电特性,使其功耗很低。在 4MHz时钟下工作耗电不超过 2mA,睡眠模式下低于 1uA。

(4)驱动能力强:I/O端口驱动负载的能力较强,每个 I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和 20mA,能够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。

(5)外围电路简洁:单片机内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等,可以最大程度地减少外围器件。

最重要的一点是 PIC16F876单片机内部集成有 2个 CCP(捕捉、比较、脉宽调制 PWM)模块。当它工作在 PWM方式下时,具有 2个脉冲宽度调制输出通道,它们可以产生宽度和周期均由编程决定的 P WM波形。

B口作为功率显示输出,利用一个 7段数码管来显示当前功率的大小,显示的功率档位有 0-9档。RC4口、RC5口分别作为功率增加与减小按键信号输入。为了防止干扰信号进入,加了 C5、C6进行滤波,并在软件中设有防抖程序。RC7口作为脚踏开关的检测端口,在踩下脚踏时,脚踏开关 S1闭合,此时 RC7口检测到一个低电平信号,启动电路,开始工作。RC6口输出一个高电平提供给 Q1,驱动电磁阀吸合,水量开关打开。RA0口是输出端采样信号的反馈端口,单片机对反馈回来的信号进行A/D转换,并与原有数据进行比较分析,自动搜索最佳频率点。RC1口、RC2口分别输出振荡频率和输出幅值的调整信号。

2.3 振荡电路

PI C16F876本身带有 PWM输出,但是存在两个缺陷:第一,不能产生推挽输出的激励信号,电路只能在半个周期里工作,效率低,发热严重。第二,超声波换能器的谐振点在 (30+5)KHz,谐振频带宽度≦ 80Hz。PIC16F876的 P WM输出在 25-35KHz频率下,步进频率≧ 100Hz,因此 PI C16F876的 PWM输出可能找不到换能器的最佳谐振点。针对以上问题所以另外采用了 TL494组成的振荡电路,如图 4所示。

图 3 PI C16F876和周围部分附属电路

功率推挽放大所需的激励信号由⑨脚和⑩输出,该信号的频率由第⑤脚的外接电容 CT和第⑥脚的外接电阻 RT来决定的。

选用低温漂的电阻与电容,降低温度变化对振荡频率的影响。由于电路中 RT的取值比较大,而 CT取得比较小,所以电容对频率的影响更为明显。

单片机输出对频率的调整信号经 R11、R12、R13、C10、C11、C12组成的三级滤波 ,送到 IC5(LM358)第⑤脚,第⑦输出后送到 TL494的第⑥脚,从而调整振荡频率。

LM358是Motorola的双通道放大器。该放大器功耗低,有输出短路保护。

图 4 振荡电路

2.4 功率放大与输出信号采样

TL494输出的脉宽调制信号经 R21、R22、R23、R24分压后送到 Q2、Q3的栅极,分别去推动 Q2、Q3输出。Q2、Q3的内阻的大小是影响洁牙机内温度的一个最主要的因素,而洁牙机内的温度进而会影响 Q2、Q3的工作稳定性,影响输出功率。所以选取高耐压、低内阻的功放管成为关键。经过众多试作比较,最后选定了 ST Microelectronics(意法半导体)的 IRF630,I RF630是意法半导体的低内阻 MOSFET,RDS=0.35Ω,VDSS=200V, ID=9A。与意法半导体的I RF730(RDS=0.75Ω,VDSS=400V, ID=5.5A)相比较,温度明显降低。实验证明,I RF630在同等条件下温度要比 IRF730低 10℃左右。功率放大与输出信号采样见图 5、图 6。

T1为输出变压器,为了提高抗干扰能力,在变压器初级与级之间绕一个 5-20圈的隔离绕组,隔离绕组的一端接地,另一端悬空。

变压器初级的电流流经大功率电阻 R27到地。输出信号的强弱在电阻 R27上反映为电压的大小,采样电阻 R27上电压由 R28、R29、R30、C18、C19、C20组成的滤波器滤波后进入反馈放大环节。

图 5 功率放大与输出信号采样

图 6 反馈放大

2.5 自动搜索谐振频率点

现在大多数超声波换能器的谐振频率点各不相同,为了使不同的手柄接上去后都保持良好的效果,洁牙机要有自动搜索谐振频率点的功能。现在市面上较为常见的超声波换能器的谐振频率点是 28KHz和30KHz。本设计以 28KHz为基准,向上搜索频率,搜索到 35KHz时,再返回到 25KHz向上搜索,直到找到最佳频率点为止。

当单片机上电复位,CCP1的 PWM输出脉宽固定为 50%,然后再以 20Hz步进增加,输出电流流经取样电阻 R27,转换成电压信号,经反馈放大送回到PIC16F876的 RA0,单片机对该电压进行 A/D转换为数值M,记住M值最大值时送出的数据。保持此数据不变,就能保证电路的振荡频率就是超声波换能器的谐振频率。

3.同类产品温度比较

为了比较温度的差距,笔者从市面上拿了几款较为常见的洁牙机进行对比实验。在常温下 (测得实际温度为:31℃),最大档功率工作 1分钟,关断 1分钟,再接着工作 1分钟,如此循环下去,测得洁牙机内数据如下:

品牌 温度:℃1小时 2小时 3小时 4小时赛特力 P5 53.5 60 65 64.5 E MS 55 62 68 69国内某品牌 51 57 61 62本设计产品 42 47 49 49

从测试数据可以看出,本设计产品的温度要比市面上常见的洁牙机的温度低 14℃--20℃,大大降低了洁牙机内的温度,提高了电路工作稳定性。

4.结束语

本设计最大的特点是能够自动搜索谐振频率点,温度低,工作稳定性高,使用寿命长,解决了普通的洁牙机内温度过高所带来的问题。与市面上常见洁牙机相比成本增加不多,具有实用推广价值。

[1]Myke Predko著,胡光华译 .PI C微控制器基础与实践[M].北京:科学出版社,2007.

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[3]张华林 .智能超声波洁牙机的设计[M].单片机与嵌入式系统应用,2006.

[4]童师白,华成英 .电子技术基础 (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

谭刚林 (1978-),男,湖南邵阳人,长沙民政职业技术学院电子信息工程系教师、硕士。