基于東軟載波HR7P201FHS3的RW100型超聲波霧化器的設(shè)計(jì)

引言

超聲波的應(yīng)用，從工業(yè)超聲波霧化，到家用超聲波加濕，到超聲波霧化美容儀，再到醫(yī)用超聲波霧化治療，應(yīng)用越來越廣泛。

今天以我們的 RW100 型超聲波霧化器為藍(lán)本，談一下如何設(shè)計(jì)一款超聲波霧化器。

基本電路：

針對(duì)家用、美容、醫(yī)用超聲波霧化的應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠又有特殊的電路。下面分別進(jìn)行說明。

1、超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，我們提供了兩種超聲波驅(qū)動(dòng)電路。

圖 1 是驅(qū)動(dòng)方案 1，對(duì)是否有水的檢測(cè)，采用電極的方式，電極直接與水接觸，當(dāng)有水的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電路的后端功率驅(qū)動(dòng)部分的電路才能正常工作。

圖 1：超聲波換能器驅(qū)動(dòng)方案 1

圖 2 是驅(qū)動(dòng)方案 2，對(duì)是否有水的檢測(cè)，采用干簧管的方式，通過浮子帶動(dòng)磁鐵，當(dāng)有水的時(shí)候，磁鐵浮起，靠近干簧管，干簧管閉合，后端功率驅(qū)動(dòng)部分的電路才能正常工作。

圖 2：超聲波換能器驅(qū)動(dòng)方案 2

上述兩個(gè)電路都是通過功率三極管，與換能器 Y1 及外圍電路構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩。

圖 1 電路中，N2 和 N3 是水位檢測(cè)電路，當(dāng)水位探針都被水浸沒時(shí)，N2 和 N3 導(dǎo)通，給 N1 提供偏置電流。

L2 的作用是阻止超聲波振蕩信號(hào)串到水位檢測(cè)電路中。

圖 2 電路中，干簧管 U1 的作用是給 N1 提供偏置電流，當(dāng)浮子達(dá)到一定高度，干簧管閉合，N1 獲得偏置電流，開始產(chǎn)生振蕩。

超聲波產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路中，各元器件的選擇可用參考如下的說明：

1)超聲波換能器 Y1，采用的固有頻率是 1.65MHz，根據(jù)需要發(fā)生作用的強(qiáng)弱選擇合適尺寸和功率的換能器片。一般建議選擇直徑 20mm，厚 1.25mm 的壓電陶瓷片(諧振頻率為 1.65MHz)，也可用選擇直徑 20mm，厚度 1.2mm 的壓電陶瓷片(諧振頻率為 1.7MHz)。

2)功率三極管要選擇耐壓和電流都滿足要求的，并且使用時(shí)要注意散熱，一般來說需要選擇耐壓 100V 以上，電流 3A 以上的管子，且使用時(shí)必須有適當(dāng)?shù)纳帷＿€需要特別注意的是，三極管必須選擇高頻三極管，截止頻率要達(dá)到 100MHz 才行。

當(dāng)然，也可以選擇兩個(gè)功率三極管并聯(lián)使用，此時(shí)要特別注意，要選擇相同型號(hào)的三極管，且最好選擇同品牌同批次的。

3)N2 和 N3 是小功率三極管，一般選擇 9013 之類的即可。

4)電感的選擇：

L1 是 0.22uh 的電感，一般選擇空心電感，用直徑 0.69mm 的漆包線按照直徑 6mm 的圓繞 3 匝即可，測(cè)得電感量在 0.22uH 左右即可。

L2 選擇 RT14 的色環(huán)電感即可。

L3 是24uH 的電感，一般建議選擇工字電感，漆包線要求直徑0.5mm 以上，電感磁芯選擇10*10mm。

5)電容的選擇，建議選擇薄膜電容，耐壓要保證，供電電壓越高，越要注意電容的耐壓，至少要高于供電電壓三倍以上。

6)電阻的選擇，需要說明的是，通常電阻選擇沒有嚴(yán)格要求，但由于驅(qū)動(dòng)板工作的環(huán)境相對(duì)濕度大，

所以選擇時(shí)，這部分的電阻建議選擇大封裝的電阻。

2、 控制電路

霧化器功能比較簡(jiǎn)單，為了實(shí)現(xiàn)良好的用戶界面，我們使用了觸摸按鍵，并且增加了 4 個(gè) LED 來指示。同時(shí)，為了控制霧化器的功率，使用了 MOSFET 管來控制電源，采用 PWM 進(jìn)行功率的控制。

同時(shí)，為了保證能夠可靠切斷超聲波驅(qū)動(dòng)電路，增加了繼電器。

電路原理如圖 3 所示

圖 3：控制電路原理

我們采用了 HR7P201FHS3 作為控制芯片，這顆芯片是 16 個(gè)引腳的，具有優(yōu)秀的觸摸按鍵功能，同時(shí)又可以用于驅(qū)動(dòng)和控制，因此非常適合于超聲波霧化器的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)中，我們使用了 3 個(gè)觸摸按鍵，其中，MOS 管的驅(qū)動(dòng)接在了 PWM 輸出端上。實(shí)際工作時(shí)，PWM 頻率一般選擇 1KHz，占空比從 20%到 100%調(diào)整。

控制電路中，對(duì) MOS 管的驅(qū)動(dòng)，采用了簡(jiǎn)單的三極管驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)三極管 N2 截至?xí)r，通過 R8 給 NM1

柵極充電，NM1 導(dǎo)通;當(dāng) N2 導(dǎo)通時(shí)，NM1 柵極電荷通過 N2 泄放到地，NM1 截止。這個(gè)電路可用保證

NM1 的快速截止。

增加繼電器 K4 的目的是確保在需要切斷超聲波發(fā)射器電路時(shí)，能夠可靠的切斷，畢竟單純靠 NM1 來切斷，還是存在一定的隱患。

對(duì)于是否有水的檢測(cè)，超聲波驅(qū)動(dòng)電路部分已經(jīng)可以通過水位檢測(cè)電路直接切斷電路的工作，但為了讓控制板能夠知道當(dāng)前的狀態(tài)，所以我們通過三極管 N3 搭成了一個(gè)檢測(cè)電路，當(dāng)沒水的時(shí)候，MCU 檢測(cè)到的電平是高電平，有水的時(shí)候檢測(cè)到的是低電平。

關(guān)于觸摸按鍵的布局：

考慮到這部分電路工作環(huán)境濕度相對(duì)較大，因此三個(gè)按鍵之間的距離要適當(dāng)加大，建議超過 10mm，另外， 按鍵本身的尺寸盡量大一下，建議超過 10*10mm。實(shí)際工作時(shí)，要注意水滴的影響。

控制過程：

控制軟件的流程如圖 4 所示。

后記：

本文給出的超聲波霧化器的設(shè)計(jì)，相比較目前市面常見產(chǎn)品，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)采樣觸摸按鍵設(shè)計(jì)，HR7P201 芯片本身的觸摸按鍵功能非常可靠，一方面外觀設(shè)計(jì)可以更靚麗， 另一個(gè)方面也減少了可動(dòng)部件，提高系統(tǒng)可靠性。

2)采樣可變功率設(shè)計(jì)，單片機(jī)通過 PWM 方式控制超聲波發(fā)生器供電電源的電壓，通過改變輸入電壓來直接改變超聲波輸出功率，從而可以為用戶提供可變的霧化效果

3)雖然可以提供許多的功能，但系統(tǒng)電路非常簡(jiǎn)單，調(diào)試也非常簡(jiǎn)單。

實(shí)際應(yīng)用中，可用有多種控制方法，也可用采用更為絢麗的界面，這些留給大家去發(fā)揮，提出本文的目的是與大家共同交流，拋磚引玉，希望與大家一起討論，共同提高。