一种低温超声波洁牙机的设计
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第 17 卷第 3 期 2010 年 9 月
长沙民政职业技术学院学报 Journa l of Changsha Soc ial W ork Co llege
V o l 17 N o 3 Sep 2010
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TL494 输 出的 脉 宽调 制 信号 经 R21 、 R22 、 R23 、 R24分压后送到 Q2 、 Q 3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、
[ 收稿日期 ] [ 作者简介 ] 图 2 DC - DC 转换 图 1 硬件电路框图
洁牙机内的温度。 DC - DC ( 30V- 15V )是 M oto ro la 的 LM 2576来完成的, LM 2576 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 LM 2576 的输入 脚 脚, 从 第 脚 输出, 再经 L1 , C2 滤波 , 输出稳定的 + 15V 电源。第 择脚, 直接接地选择为电路工作。第 是使能选 脚为输出反馈。
品牌 1 小时 赛特力 P5 EM S 国内某品牌 本设计产品 53. 5 55 51 42 60 62 57 47 温度 : 2 小时 3小时 65 68 61 49 4 小时 64. 5 69 62 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
图 5 功率 放大与输出信号采样
电路中所用的 + 5V 电源由 7805 来提供。
2 2 主控芯片 P I C 16F 876 P IC16F876 作 为主控 芯片 的控制 电路如 图 3 所 示。 P IC16F876 是美国 微芯 公司 ( M icrochip) 推出 的 CMOS8 位 P IC 系列单片 机, 具 有实用、 低价、 指 令集 小、 体积小、 功能强等特点。 P IC16F876 是微芯公司的
- - 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。 [ 参考文献 ]
[ 1]M yke P redko著 , 胡光华译 P IC 微控制器基 础与实践 [M ]
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。 [ 关键词 ] 超 声波 ; 洁 牙机 ; 低 温 ; 自动 搜索 ; P WM TH 787 [ 文章标识码 ] A [ 文章编号 ] 1671- 5136 ( 2010) 03- 0111- 03 [ 中图分类号 ]
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。
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长沙民政职业技术学院学报
2010 年
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、 P WM 输出、 I2C 总线和 SP I总线接口电路、 异步串行通信 ( USART )接口电路、 模拟电压比较器、 F lash 程序存储器 ( 8K) 等许多功能。 P IC16F876 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 : P IC 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: P I C 采用 CMOS 电路设计, 结合了诸 多的节电特性, 使其功耗很低。在 4 MH z时钟下工作 耗电不超过 2mA, 睡眠模式下低于 1u A。 ( 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 P IC16F876 单片机内部集成有 2 个 CCP (捕捉、 比较、 脉宽调制 P WM ) 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 PWM 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 Q 1 , 驱动电磁阀吸合, 水量 开关打开。 RA 0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 P IC16F876 本身带有 P WM 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) KH z, 谐振频带宽度≦ 80H z 。 P IC16F876 的 PWM 输出在 25 - 35KH z频率下 , 步进
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 20H z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 P IC16F876 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:
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 M CU 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 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
第 3期
谭刚林 : 一种低温超声波洁牙机的设计
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低内阻的功放管成为关键。经过众多试作比较, 最后 选定 了 STM icroe lectron ics ( 意 法半 导 体 ) 的 I RF 630 , I RF630 是 意 法 半 导 体 的 低 内 阻 MOSFET, RDS = 0 35 , VDSS = 200V, I D = 9A。 与 意 法 半 导 体 的 I RF730( RDS = 0 75 , VDSS= 400V, ID= 5 5A ) 相比 较 , 温度明显降低。实验证明 , I R F630 在同等条件下 温度要比 I R F730 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。
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 28KH z 和 30KH z 。本设计以 28KH z为基准 , 向上搜索频率 , 搜索 到 35KH z时, 再返回到 25KH z 向上搜索, 直到找到最
图 6 反馈放大
北京 : 科学出版社 , 2007 [ 2] 黄华坤 , 杨涛 等 [ 3] 张华林 足球 机器 人运 动控 制模 块的 设计 [ M ] 微型机与应用 , 2OO 3 智能超声波洁牙 机的设计 [M ] 单片机与 嵌入式 电子技术基础 ( 第三版 ) [ M ] 北 京 : 高等 系统应用 , 2006 [ 4] 童师白 , 华成英 教育出版社 , 2001
图 4 振荡电路 图 3 PI C16F876 和周围部分附属电路
频率≧ 100 Hz , 因此 P IC16F876 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。 功率推挽放大所需的激励信号由 脚和 输出, 该信号的频率由第 脚的外接电容 CT 和第 脚的外 接电阻 RT 来决定的。 fo sc= 1 1 / ( RT* CT ) 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( LM 358) 第 脚, 第 荡频率。 LM 358 是 M otoro la的双通道放大器。该放大器功 耗低, 有输出短路保护。 输出后送到 TL494 的第 脚 , 从而调整振
长沙民政职业技术学院学报 Journa l of Changsha Soc ial W ork Co llege
V o l 17 N o 3 Sep 2010
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TL494 输 出的 脉 宽调 制 信号 经 R21 、 R22 、 R23 、 R24分压后送到 Q2 、 Q 3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、
[ 收稿日期 ] [ 作者简介 ] 图 2 DC - DC 转换 图 1 硬件电路框图
洁牙机内的温度。 DC - DC ( 30V- 15V )是 M oto ro la 的 LM 2576来完成的, LM 2576 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 LM 2576 的输入 脚 脚, 从 第 脚 输出, 再经 L1 , C2 滤波 , 输出稳定的 + 15V 电源。第 择脚, 直接接地选择为电路工作。第 是使能选 脚为输出反馈。
品牌 1 小时 赛特力 P5 EM S 国内某品牌 本设计产品 53. 5 55 51 42 60 62 57 47 温度 : 2 小时 3小时 65 68 61 49 4 小时 64. 5 69 62 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
图 5 功率 放大与输出信号采样
电路中所用的 + 5V 电源由 7805 来提供。
2 2 主控芯片 P I C 16F 876 P IC16F876 作 为主控 芯片 的控制 电路如 图 3 所 示。 P IC16F876 是美国 微芯 公司 ( M icrochip) 推出 的 CMOS8 位 P IC 系列单片 机, 具 有实用、 低价、 指 令集 小、 体积小、 功能强等特点。 P IC16F876 是微芯公司的
- - 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。 [ 参考文献 ]
[ 1]M yke P redko著 , 胡光华译 P IC 微控制器基 础与实践 [M ]
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。 [ 关键词 ] 超 声波 ; 洁 牙机 ; 低 温 ; 自动 搜索 ; P WM TH 787 [ 文章标识码 ] A [ 文章编号 ] 1671- 5136 ( 2010) 03- 0111- 03 [ 中图分类号 ]
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。
112
长沙民政职业技术学院学报
2010 年
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、 P WM 输出、 I2C 总线和 SP I总线接口电路、 异步串行通信 ( USART )接口电路、 模拟电压比较器、 F lash 程序存储器 ( 8K) 等许多功能。 P IC16F876 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 : P IC 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: P I C 采用 CMOS 电路设计, 结合了诸 多的节电特性, 使其功耗很低。在 4 MH z时钟下工作 耗电不超过 2mA, 睡眠模式下低于 1u A。 ( 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 P IC16F876 单片机内部集成有 2 个 CCP (捕捉、 比较、 脉宽调制 P WM ) 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 PWM 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 Q 1 , 驱动电磁阀吸合, 水量 开关打开。 RA 0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 P IC16F876 本身带有 P WM 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) KH z, 谐振频带宽度≦ 80H z 。 P IC16F876 的 PWM 输出在 25 - 35KH z频率下 , 步进
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 20H z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 P IC16F876 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:
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 M CU 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 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
第 3期
谭刚林 : 一种低温超声波洁牙机的设计
113
低内阻的功放管成为关键。经过众多试作比较, 最后 选定 了 STM icroe lectron ics ( 意 法半 导 体 ) 的 I RF 630 , I RF630 是 意 法 半 导 体 的 低 内 阻 MOSFET, RDS = 0 35 , VDSS = 200V, I D = 9A。 与 意 法 半 导 体 的 I RF730( RDS = 0 75 , VDSS= 400V, ID= 5 5A ) 相比 较 , 温度明显降低。实验证明 , I R F630 在同等条件下 温度要比 I R F730 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。
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 28KH z 和 30KH z 。本设计以 28KH z为基准 , 向上搜索频率 , 搜索 到 35KH z时, 再返回到 25KH z 向上搜索, 直到找到最
图 6 反馈放大
北京 : 科学出版社 , 2007 [ 2] 黄华坤 , 杨涛 等 [ 3] 张华林 足球 机器 人运 动控 制模 块的 设计 [ M ] 微型机与应用 , 2OO 3 智能超声波洁牙 机的设计 [M ] 单片机与 嵌入式 电子技术基础 ( 第三版 ) [ M ] 北 京 : 高等 系统应用 , 2006 [ 4] 童师白 , 华成英 教育出版社 , 2001
图 4 振荡电路 图 3 PI C16F876 和周围部分附属电路
频率≧ 100 Hz , 因此 P IC16F876 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。 功率推挽放大所需的激励信号由 脚和 输出, 该信号的频率由第 脚的外接电容 CT 和第 脚的外 接电阻 RT 来决定的。 fo sc= 1 1 / ( RT* CT ) 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( LM 358) 第 脚, 第 荡频率。 LM 358 是 M otoro la的双通道放大器。该放大器功 耗低, 有输出短路保护。 输出后送到 TL494 的第 脚 , 从而调整振