深圳市龍崗區(qū)恒波超聲波設(shè)備經(jīng)營部
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智能型超聲波發(fā)生器的設(shè)計

 二維碼 3734
發(fā)表時間:2024-05-29 10:52網(wǎng)址:http://m.ecologycryptos.com/h-nd-290.html

  摘 要:介紹在單片機控制下智能超聲波?發(fā)生器的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和抗干擾設(shè)計,特別介紹硬件設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題:穩(wěn)定振蕩信號的產(chǎn)生;振蕩信號的強度控制及輸出控制;諧振點的自動掃描搜索?!?/span>

    超聲波焊接機在工業(yè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用?,F(xiàn)國內(nèi)外所用超聲波焊接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,造成焊接機工作不正常。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)計的超聲波焊接機以單片機為核心,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。

智能型超聲波發(fā)生器,電腦型超聲波發(fā)生器

1 硬件設(shè)計
    硬件電路框圖如圖1所示。該超聲波焊接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,把超聲波振蕩電信號轉(zhuǎn)為超聲機械振動信號,該機械振動能良好地清除污垢等。


1.1 電源設(shè)計
     超聲波焊接機在正常工作空載狀態(tài)為100~200 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,本超聲波焊接機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TL494,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。

1.3   頻率控制

    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。

全數(shù)字電路設(shè)計超聲波發(fā)生器

1.4   強度控制
    本超聲波焊接機設(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,從而控制焊接機停止機械振蕩輸出。
1.5   推挽功率放大
    超聲波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。


數(shù)字智能型超聲波發(fā)生器

2 .軟件設(shè)計
    本超聲波焊接機的硬件設(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
     潔牙機自身有電磁閥、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,會對焊接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?,F(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
   在焊接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
    該智能超聲波發(fā)生器已批量生產(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10~40 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。


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