基于东软载波HR7P201FHS3的RW100型超声波雾化器的设计

引言

超声波的应用，从工业超声波雾化，到家用超声波加湿，到超声波雾化美容仪，再到医用超声波雾化治疗，应用越来越广泛。

今天以我们的 RW100 型超声波雾化器为蓝本，谈一下如何设计一款超声波雾化器。

基本电路：

针对家用、美容、医用超声波雾化的应用，我们设计了一个简单可靠又有特殊的电路。下面分别进行说明。

1、超声波换能器驱动电路

针对实际应用，我们提供了两种超声波驱动电路。

图 1 是驱动方案 1，对是否有水的检测，采用电极的方式，电极直接与水接触，当有水的时候，驱动电路的后端功率驱动部分的电路才能正常工作。

图 1：超声波换能器驱动方案 1

图 2 是驱动方案 2，对是否有水的检测，采用干簧管的方式，通过浮子带动磁铁，当有水的时候，磁铁浮起，靠近干簧管，干簧管闭合，后端功率驱动部分的电路才能正常工作。

图 2：超声波换能器驱动方案 2

上述两个电路都是通过功率三极管，与换能器 Y1 及外围电路构成电容三点式振荡。

图 1 电路中，N2 和 N3 是水位检测电路，当水位探针都被水浸没时，N2 和 N3 导通，给 N1 提供偏置电流。

L2 的作用是阻止超声波振荡信号串到水位检测电路中。

图 2 电路中，干簧管 U1 的作用是给 N1 提供偏置电流，当浮子达到一定高度，干簧管闭合，N1 获得偏置电流，开始产生振荡。

超声波产生驱动电路中，各元器件的选择可用参考如下的说明：

1)超声波换能器 Y1，采用的固有频率是 1.65MHz，根据需要发生作用的强弱选择合适尺寸和功率的换能器片。一般建议选择直径 20mm，厚 1.25mm 的压电陶瓷片(谐振频率为 1.65MHz)，也可用选择直径 20mm，厚度 1.2mm 的压电陶瓷片(谐振频率为 1.7MHz)。

2)功率三极管要选择耐压和电流都满足要求的，并且使用时要注意散热，一般来说需要选择耐压 100V 以上，电流 3A 以上的管子，且使用时必须有适当的散热。还需要特别注意的是，三极管必须选择高频三极管，截止频率要达到 100MHz 才行。

当然，也可以选择两个功率三极管并联使用，此时要特别注意，要选择相同型号的三极管，且最好选择同品牌同批次的。

3)N2 和 N3 是小功率三极管，一般选择 9013 之类的即可。

4)电感的选择：

L1 是 0.22uh 的电感，一般选择空心电感，用直径 0.69mm 的漆包线按照直径 6mm 的圆绕 3 匝即可，测得电感量在 0.22uH 左右即可。

L2 选择 RT14 的色环电感即可。

L3 是24uH 的电感，一般建议选择工字电感，漆包线要求直径0.5mm 以上，电感磁芯选择10*10mm。

5)电容的选择，建议选择薄膜电容，耐压要保证，供电电压越高，越要注意电容的耐压，至少要高于供电电压三倍以上。

6)电阻的选择，需要说明的是，通常电阻选择没有严格要求，但由于驱动板工作的环境相对湿度大，

所以选择时，这部分的电阻建议选择大封装的电阻。

2、 控制电路

雾化器功能比较简单，为了实现良好的用户界面，我们使用了触摸按键，并且增加了 4 个 LED 来指示。同时，为了控制雾化器的功率，使用了 MOSFET 管来控制电源，采用 PWM 进行功率的控制。

同时，为了保证能够可靠切断超声波驱动电路，增加了继电器。

电路原理如图 3 所示

图 3：控制电路原理

我们采用了 HR7P201FHS3 作为控制芯片，这颗芯片是 16 个引脚的，具有优秀的触摸按键功能，同时又可以用于驱动和控制，因此非常适合于超声波雾化器的设计。

设计中，我们使用了 3 个触摸按键，其中，MOS 管的驱动接在了 PWM 输出端上。实际工作时，PWM 频率一般选择 1KHz，占空比从 20%到 100%调整。

控制电路中，对 MOS 管的驱动，采用了简单的三极管驱动方式，当三极管 N2 截至时，通过 R8 给 NM1

栅极充电，NM1 导通;当 N2 导通时，NM1 栅极电荷通过 N2 泄放到地，NM1 截止。这个电路可用保证

NM1 的快速截止。

增加继电器 K4 的目的是确保在需要切断超声波发射器电路时，能够可靠的切断，毕竟单纯靠 NM1 来切断，还是存在一定的隐患。

对于是否有水的检测，超声波驱动电路部分已经可以通过水位检测电路直接切断电路的工作，但为了让控制板能够知道当前的状态，所以我们通过三极管 N3 搭成了一个检测电路，当没水的时候，MCU 检测到的电平是高电平，有水的时候检测到的是低电平。

关于触摸按键的布局：

考虑到这部分电路工作环境湿度相对较大，因此三个按键之间的距离要适当加大，建议超过 10mm，另外， 按键本身的尺寸尽量大一下，建议超过 10*10mm。实际工作时，要注意水滴的影响。

控制过程：

控制软件的流程如图 4 所示。

后记：

本文给出的超声波雾化器的设计，相比较目前市面常见产品，具有如下几个特点：

1)采样触摸按键设计，HR7P201 芯片本身的触摸按键功能非常可靠，一方面外观设计可以更靓丽， 另一个方面也减少了可动部件，提高系统可靠性。

2)采样可变功率设计，单片机通过 PWM 方式控制超声波发生器供电电源的电压，通过改变输入电压来直接改变超声波输出功率，从而可以为用户提供可变的雾化效果

3)虽然可以提供许多的功能，但系统电路非常简单，调试也非常简单。

实际应用中，可用有多种控制方法，也可用采用更为绚丽的界面，这些留给大家去发挥，提出本文的目的是与大家共同交流，抛砖引玉，希望与大家一起讨论，共同提高。