超聲波潔牙機在醫(yī)療領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)國內(nèi)外所用超聲波潔牙機多采用模擬振蕩電路。存在如下缺陷：第一,，振蕩頻率容易漂移,。在連續(xù)工作一段時間后,，振蕩頻率漂移,，造成潔牙機工作不正常。第二,，由于壓電陶瓷片諧振頻帶范圍窄,，諧振頻率點采用手動搜索，不容易找準,。本人設(shè)計的超聲波沽牙機以單片機為核心,，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數(shù)字鎖定,，諧振點漂移極小,，從而在根本上解決了上述問題。該電路設(shè)計思路新穎,，抗干擾能力強,，工作穩(wěn)定可靠。
1 硬件設(shè)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MPU控制下產(chǎn)生占空比可控的推挽脈沖輸出,，由MPU串行發(fā)送數(shù)據(jù)到振蕩頻率控制電路，控制振蕩產(chǎn)生電路的振蕩頻率,，使振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號的占空比和頻率受MPU控制,，該振蕩信號經(jīng)功率放大電路放大，經(jīng)高頻變壓器升壓后驅(qū)動壓電陶瓷片,，把超聲振蕩電信號轉(zhuǎn)為超聲機械振動信號,，該機械振動能良好地清除牙垢和牙結(jié)石等，從而達到美觀牙齒的效果,。
1.1 電源設(shè)計
超聲潔牙機在正常工作時功率為10～20 W,，且要求在180～250 V的寬電壓范圍內(nèi)工作,，為滿足要求，減少電源部分發(fā)熱,，本電路電源部分采用開關(guān)電源,。整機電路原理圖如圖2所示。
本開關(guān)電源采用摩托羅拉公司的DC—DC控制芯片MC34063,，該電路具有線路簡單,，成本低廉，效率高,，溫升低的特點,。核心元件MC34063是一種單片雙極型線性集成電路，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源,，一個占空比周期控制振蕩器驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān),。輸出電壓U=(1+R2／RI)·1．25 V，限流電阻為1 Ω,，故輸人電流被限制在0．3 V／1 Ω=0．3 A,。
1．2 振蕩電路
振蕩信號的產(chǎn)生有多種方法。最簡單的方法是由PIC16F73直接產(chǎn)生PWM輸出,，該方法簡潔方便,，但有兩個缺陷：第一，不能產(chǎn)生推挽振蕩信號,。因而功率放大電路只能工作在正半周,，效率低，發(fā)熱較嚴重,，不利于電路穩(wěn)定工作,。第二，壓電陶瓷片的諧振點在(30±5)kHz,，諧振頻帶寬度≤80 Hz,。PIC16F73的PWM輸出在25～35 kHz頻率下，步進頻率≥lOO Hz,，因此PICl6F73的PWM輸出可能找不到壓電陶瓷片的最佳諧振點,。筆者設(shè)計的振蕩電路圓滿解決了上述問題。
振蕩電路控制芯片采用TLt94,，該芯片內(nèi)部框圖如圖3所示,，具體電路見圖2。推挽振蕩信號由TL494的9腳和10腳輸出,，該信號的頻率由T1,。494的5腳和6腳外接的電容Ct和電阻Rt決定，Rt和Ct應(yīng)選用低溫漂的電阻和電容,。該信號振蕩頻率計算公式為：fosc=1．1／2Rt·Ct,；該信號的占空比由TL494的1腳和2腳的外接信號電壓決定,。
為滿足壓電陶瓷片振蕩頻率為25～35 kHz，步進頻率≤80 Hz的要求,，圖2電路中的Rw是阻值為20 kΩ的粗調(diào)電位器,，數(shù)字電位器IC4是PICl6F73控制下的細調(diào)電位器。經(jīng)計算Rw粗調(diào)(以1C4為5 kΩ計),，使,，fosc變化范圍為24．5～35．7kHz，滿足要求,。細調(diào)的數(shù)字電位器IC4選用總阻值10 kΩ,，256級可調(diào)的MCP41010，MCP41010與PIcl6F73的通信采用方便快捷的SPI方式,，步進阻值是39．0625 Ω,。振蕩器的步進頻率為：
振蕩頻率為35 kHz時的步進頻率為30．4 Hz，振蕩頻率為25 kHz時的步進頻率為15．6 Hz,。由上述數(shù)據(jù)可知,，采用數(shù)字電位器控制TL494工作方式可滿足壓電陶瓷片諧振帶寬的要求。
1.4 強度控制
本潔牙機設(shè)計了靈敏的強度控制電路,。PIC16F73的RAl腳外接電位器Rw1,，調(diào)在不同位置則RAl輸入的模擬電壓不同,，經(jīng)PICl6F73內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，該信號決定由CCPl輸出的PWM信號的占空比。PWM信號經(jīng)濾波后送到TI．494的2腳,，與l腳送入的參考電壓比較,，從而決定TL494的9腳和10腳輸出的振蕩信號脈寬在0～48％。當引腳開關(guān)斷開時,，PIC16F73判斷到RC3輸入為高電平,，則PICl6F73的PWM輸出占空比為0，TL494的9腳和10腳輸出振蕩信號占空比為O,，從而控制潔牙機停止機械振蕩輸出,。
1.5 推挽功率放大
超聲機械振蕩為了起到良好的潔牙效果，機械振蕩必須達到一定的強度,，即送到壓電陶瓷片的由TL494輸出的振蕩信號必須先經(jīng)過功率放大,。由于功率管流過的瞬間電流達到1．1 A，為減少功率管發(fā)熱,，縮小散熱片,，采用場效應(yīng)管作為功率驅(qū)動管。本電路中的場效應(yīng)管采用簡法驅(qū)動,，實踐證明,，該功率放大電路性能穩(wěn)定,，發(fā)熱極少，能有效地縮小線路板體積,。經(jīng)功率放大后的信號由高頻變壓器升壓到峰峰值250～350 V,，送到壓電陶瓷片轉(zhuǎn)換為超聲機械振蕩。
1.6 諧振點的掃描搜索
壓電陶瓷片的諧振點自動掃描搜索是本電路的一大特點和難點,。由于壓電陶瓷片的諧振點各不相同,，為了讓電路能適應(yīng)各種壓電陶瓷片，筆者設(shè)計了諧振點自動掃描搜索電路,。當PICl6F73剛上電,，且引腳開關(guān)接通時，CCPl的PWM輸出脈寬固定為80％,，從而TL494的9腳和10腳的輸出信號脈寬固定不變,。同時PICl6F73周期地發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器MCP41010，使MCP41010的6腳和5腳問的電阻從O步進到10 kΩ,，則TL494的9腳和lO腳的輸出頻率以15．6～30．4 Hz步進變化,。占空比固定不變的信號，當振蕩信號頻率與壓電陶瓷片的諧振頻率一致時,，流經(jīng)場效應(yīng)管源漏極的電流最大,。該電流由采樣電阻Ra轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)運放放大后送到PICl6F73的RAO,，PIC16F73對該電壓進行A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)值Q,，記憶住Q為最大值時送到數(shù)字電位器的數(shù)據(jù)P。當數(shù)字電位器由O變化到10 kΩ時,，壓電陶瓷片諧振點的掃描搜索完成,。把數(shù)據(jù)P送到數(shù)字電位器，則TL494輸出固定頻率的振蕩信號,，即是壓電陶瓷片的諧振頻率,。運放的選型一定要注意帶寬大于2 MHz，因為采樣電阻Ra的峰值電壓在掃描搜索時變化很快,，如果運放的帶寬不足,，則可能找不到壓電陶瓷片的最佳諧振點。本電路選用帶寬為2．8 MHz的MCP602,。
2 軟件設(shè)計
本潔牙機的硬件設(shè)計稍顯復(fù)雜,，軟件設(shè)計相對簡單。軟件總流程圖如圖4所示,，壓電陶瓷片諧振點掃描搜索子程序流程如圖5所示,。
3 抗干擾設(shè)計
沽牙機自身有電磁閥、腳踩開關(guān)、高頻變壓器等器件會產(chǎn)生較強的干擾,。另外,，本機還配套用于牙科治療臺，該治療臺有好幾臺功率較強的電機在工作,，會對潔牙機造成嚴重的電磁干擾,。當干擾信號來臨時，可能出現(xiàn)死機,，程序亂飛,，破壞系統(tǒng)參數(shù)等不正常現(xiàn)象,，故而在硬件和軟件上都相應(yīng)采取一些抗干擾措施,。
3.1 硬件抗干擾
在潔牙機的電源輸入端接入電源濾波器，濾除電網(wǎng)中的高次諧波和脈沖干擾,。單片機選型時選擇帶硬件看門狗的型號,，或者外加看門狗電路，可以有效地監(jiān)視程序是否陷入死循環(huán)故障,。在每個芯片的電源輸入端與共地端并接一個O．1 μF去耦電容,，對腳開關(guān)送來的信號進行光隔離。以上措施都是行之有效的,。
3.2 軟件抗干擾
第一,，軟件冗余。對任意的輸出信號和設(shè)置均不斷重復(fù)刷新,，且周期設(shè)定在5 ms,。對A／D轉(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換8次求平均法，以得到盡量準確的信號,。
第二,，軟件陷阱。軟件陷阱技術(shù)是通過跳轉(zhuǎn)指令強行將捕獲到的亂飛程序引入復(fù)位地址0000H,，使程序納入正軌。在各控制模塊之間和未使用的程序空間設(shè)置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛,，使程序運行更加可靠,。
結(jié) 語
該智能超聲波潔牙機已批量生產(chǎn)。實測表明,，該機諧振點掃描搜索準確,，在工作環(huán)境溫度0～60℃，壓電陶瓷片諧振范圍在25～35 kHz的情況下,，諧振點漂移小于10 Hz,。實踐證明，該電路性能穩(wěn)定可靠，故障率極低,。如對該電路稍加改進,，便可應(yīng)用于更廣泛的超聲清潔領(lǐng)域，該電路具有明顯的推廣應(yīng)用價值,。