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基于STC单片机的超声波清洗机

基于STC单片机的超声波清洗机

基于 STC 单片机的超声波清洗机郝晓曦1,冯志鹏2,黄辉2,周俊荣1,崔卫国1(1. 五邑大学  机电工程学院,广东  江门  529020;2. 五邑大学  信息工程学院,广东  江门  529020)

随着超声波技术的不断发展,超声波广泛应用于检测、清洗、焊接、医疗等领域,甚至在纺织、航空领域也能见到它的踪迹。目前,超声的研究和应用可分为功率超声和检测超声两大领域,超声清洗是功率超声最为广泛的应用之一。它通过换能器,将功率超声的声能转换成机械振动,同时强超声波在液体传播时会产生“空化效应”。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力 , 对污层的直接反复冲击 , 一方面破坏污物与清洗件表面的吸附 , 另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中[4], 以清除物体表面的杂质、污垢或油腻。与其他清洗相比 ,超声波清洗具有效率高、 能耗低、 清洁环保的特点,特别在清洗复杂零件、盲孔、狭缝多的物件时 , 更凸显它的优势。

文中设计的超声波清洗机是以 STC 单片机为控制核心,包括整流滤波、逆变、IGBT 驱动、PWM 发生与控制、频率扫描显示、功率调节、调谐匹配与阻抗匹配模块以及相关保护模块。

收稿日期:2014–03–07                 稿件编号:基金项目:广东省大学生创新创业训练计划项目作者简介:郝晓曦 (1981—),女,陕西西安人,硕士,讲师。研究方向:机械工程及自动化,机电产品设计。

1  超声波清洗机总体方案设计摘要:针对目前工业清洗问题,设计了一款基于 STC 单片机超声波清洗机系统。该系统采用 STC15F2 系列的单片机为控制核心 , 加以功率调节、半桥逆变、PWM 发生与控制等模块电路,利用了调谐匹配和阻抗匹配,使压电换能器输出最大功率。本超声波清洗机具有功率、频率可调、定时清洗的功能 , 以及清洗效率高、成本低、运行稳定的特点,达到节能环保的目的,应用前景广阔。

关键词:超声波清洗机;空化效应;半桥逆变;STC 单片机;换能器中图分类号:TN710                                                文献标识码:A                                        文章编号:12211(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;)

,for图 1    超声波清洗机原理框图在超声波清洗机中,220 V50 Hz 的市电输入后分为两路,一路用来产生大功率超声波 ,另一路用来检测、控制与显示的供电作用,具体如图 1 所示。其中,通过双向可控硅可控制清洗机的功率。逆变模块为半桥逆变,把直流电压逆变为高频交流电压,再经调谐匹配与阻抗匹配模块的变压器升压以及电感匹配,可以高效率、最大功率地输送到压电换能器。最后,压电换能器把超声波电源输出的电能转化为高频机械振动。

整流滤波与功率调节模块交流电经整流桥 B1 整流以及电解电容 C122  超声波清洗机各模块设计原理第 22 卷第 11 期电子设计工程年 6 月滤波后产生直流输出电压。其中双向可控硅 TR1 用于功率调节,C11为安规电容,R11和 C11主要用于消除高频干扰。而U1 为光耦,型号可以选择 MOC3021,1 脚和 3 脚接调功模块。

光耦 U1 起到隔离强弱电的作用,增强了电路的可靠性和安全性。

在超声波电源系统的工作过程中,整流滤波模块与逆变模块会发热,可以将两个模块安装在一个铝片散热器上,进行风冷散热。这样,系统可以更安全可靠工作。

逆变与脉冲驱动模块由于半桥逆变电路所用到的功率器件少,成本低,而且控制相对简单,因此本文设计的超声波清洗机采用半桥逆变电路[5]。

图 2    整流滤波模块图 3    半桥逆变模块在半桥逆变电路中,两个全控型开关器件为 IGBT,即Q1 与 Q2 和二极管 D11 和 D12 构成半桥逆变,在 Q1 和 Q2 上加以互补的信号,Q1 与 Q2 两 IGBT 是轮流触发的,即各交替进行导通。同时,在直流侧输入端接的电容 C1和 C2应足够大,并且 C1=C2,容值可选 2 uF 以上。同样,电阻 R14、R15也应足够大,并且 R14=R15,阻值可选 100 kΩ 以上。熔断器 F11和 F12 用于保护开关管 Q1 和 Q2,防止电流过大。

变压器 T1 和电阻 R16、R17、R18、R19组成脉冲驱动模块,为 Q1 和 Q2 提供互补的触发信号。由于 IGBT 的驱动电压应小于 20 V,而 T12,T14 间的输入电压约 12 V,因此变压器 T1变比设计为 1:1:1。R18、R19用于限流作用,可选 20 Ω 左右的电阻。在本超声波清洗机中,上下两个 IGBT 器件留有一定的死区时间,以防止两者同时导通。

变压与线性稳压交流电经变压器 T4 降压为 12 V,再经整流桥 B4 整流、C41滤波以及 U1(L7812) 线性稳压后,输出直流电压,给 PWM 发生与控制模块供电。同时,直流再经 U2(L7805) 二次稳压变为 5 V,为处理器工作提供电源。LED1 发光二极管 , 起电源指示作用。为了减少电压的脉动系数,加入了电容 C43、C44多次滤波。

发生与控制模块以及驱动模块在本超声波清洗机中,以 KA3525A 作为 PWM 发生与控制芯片。如图 5  所示 ,KA3525A 振荡频率的设定范围为芯片的脚 5 和脚 7 间串联一个电阻 Rd就可以在较大范围内调节死区时间。KA3525A 的振荡频率可表示为:式中 :CT、RT分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻;Rd是与脚 7 相连的放电端电阻。此处 :Rd、CT、RT分别为图中的 R52、C5、(R51+Rp51)。其中,Rp51为精密可调电阻,即通过 R1和 R2可以调节 PWM 输出频率。管脚 8 接一个电容图 4    降压与线性稳压C51用来软启动,减少功率开关管的开机冲击。11 和 14 脚输出两路互补的 PWM 波,经中功率的三极管 Q1、Q2、Q3、Q4放大,再经脉冲驱动变压器 T1 驱动两个 IGBT,控制逆变模块实现半桥逆变 ( 如图 3 所示 )。高频变压器 T1 起隔离强电与弱电的作用,增强了驱动能力和电源的可靠性。

图 5 为 PWM 发生与控制模块。

功率调节模块功率调节的实现原理:通过 IAP15F2K61S2 单片机的一个 AD 口检测调功电阻上电压大小,再通过模数转换获得 AD数值。再根据此值控制双向可控硅 TR1 过零延时触发,即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中,图 6 为过零触发原理图,12 V 交流电经二极管 D31、D32整流以及 R31、R32、R33限流限压,再经三极管 Q3 检测过零点。当电网电压过零时,P3.3 产生负脉冲。另外,IAP15F2K61S2 单片机的口是一个外部中断口,通过检测过零脉冲获得工频电压的过零点。

fs=+1《电子设计工程》2014 年第 11 期图 5    PWM 发生与控制模块调谐匹配与阻抗匹配模块超声波电源与换能器的匹配[8]主要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为减少静电抗产生的无功损耗,使压电换能器输出最大功率,需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态,提高超声波电源输出效率。另外,若完成了调谐匹配时,即负载为纯电阻状态时,为使电源输出最大功率,需要令实际负载和电源的最佳输出阻抗相等,而实现方法为:通过高频变压器使换能器的阻抗变换为超声波电源的最佳输出阻抗,从而使压电换能器输出最大功率。

图 7 为超声波清洗机调谐匹配与阻抗匹配模块。其中,虚线框内为压电换能器的等效电路图。

其中,Co 是压电换能器的静态电容,主要是由夹持而产生的电容,它是一个真实的电学量;Ro 是压电换能器的介电损耗电阻,一般认为 Ro 无穷大,通常忽略不计;Ld、Cd、Rd 分别为压电换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当Ld、Cd 处于谐振时,串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配作用下,超声波电源的整个负载呈现出纯电阻性。当电源的图 6    过零触发原理图图 7    调谐匹配与阻抗匹配输出电压稳定时,阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关,因此,需要采用高频变压器来进行阻抗变换,从而使超声波电源能够以最大功率输出。

文中根据实际需求,以 STC[9]一款型号为的单片机作为控制核心,提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案,进行了软件、硬件的设计和调试,保证其工作频率在 20~50 kHz 范围内连续可调,死区时间稳定,从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。最后根据设计制作出了一款具有调功、调频、定时功能的超声波清洗机。通过现场试验,本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。

郝晓曦,等    基于 STC 单片机的超声波清洗机图 7    空调降温后的页面温度降低,在网页上点击3次按钮“提交”,客厅温度降至25℃。

通过实验,可以知道本系统能能实现以下功能:对家庭各个房间的温度和湿度实时显示,能远程调节温度和湿度,远程打开热水器开关对其加热,当房间有人活动时能在监控页面显示出来,厨房烟雾浓度是否超标也能在页面显示。

文中所述的远程监控系统应用在家庭环境中,既能实现远程监测家中各个房间的温湿度状况,也能控制家中空调、加湿器的打开或者关闭状态从而调节温湿度,营造一个舒适6  结束语宜人的环境。烟雾传感器能实现烟雾浓度超标检测,使用人体红外模块可实现家庭安防功能。电池电量检测能即时提醒更换电池。若对本设计做微小改动,添加房间数量或减少数量,或者改变传感器类别实现其他功能,可扩展性较强。

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