产品系列
联系我们
联系人:陈经理
联系人:陈经理
电话:0436-669417
邮箱:xmsphv@stalbanswebdesignseo.com
新闻中心
当前位置:首页 > 新闻中心 > 正文
基于AT89C51单片机的超声波清洗仪的研制_胡宇军

基于AT89C51单片机的超声波清洗仪的研制_胡宇军

!"#$ 年

第 $ 期

仪 表 技 术 与 传 感 器

%&’()*+,&( -,./&01*, 2&3 4,&’5)

!"#$

657 $

基于 8BG)=(& 单片机的超声波清洗仪的研制

胡宇军,丁金华,荣强强

( 大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 &&F’KM)

制了一种基于 >-Jb=;# 单片机控制的具有频率自动跟踪功能的超声波清洗仪!依据超声波清洗原理,给出了系统的硬

件和软件设计,详细阐述了超声波发生器逆变电路与驱动电路"数字频率合成与自动跟踪电路等方面设计,保证了换能器

出功率!

2-+345 9: E0,<6+953? =0-65354 T5+,-Jb=;# +0.)5Q)5.,’’5) F2’ 0&()53*.,3I O2’,3 5& (/, Q)0&.0QR, 5T *R()2’5&0. .R,2&0&P,(/, /2)3G

F2), 2&3 ’5T(F2), F,), Q)5Q5’,3I %& 2330(05&,0&E,)(,) 2&3 3)0E, .0).*0( 5T (/, *R()2’5&0. P,&,)2(5),30P0(2R T),1*,&.N ’N&(/,’0’ 2&3

2*(5 +2(0. ()2.\0&P .0).*0( F,), 3,’.)0U,3 0& 3,(02R,(/, ()2&’3*.,) 5*(Q*( Q5F,) (5 (/, R523 .2& U, \,Q( 0& /0P/ ,TT0.0,&.N Q50&(I -/,

,SQ,)0+,&(’ ’/5F (/2( 0( /2’ 2 /0P/,) ’Q,,3 2&3 U,((,) ),’*R( 0& .R,2&0&P,,2’0RN ),2R0V,’ 2*(5+2(05&,+20&(20&’ 2 ’(2UR, 5*(Q*( Q5FG

,)I

I-* @9<7+: *R()2’5&0. .R,2&0&P +2./0&,; T),1*,&.N 2*(5+2(0. ()2.\0&P; 3)0E, .0).*0(; >-Jb=;#

’ 引言

超声波因具有方向性好,穿透能力强,能使物质产生明显

的声压作用等特点而广泛应用于医疗"制药"化工等行业!超

声波清洗具有清洗效率高"成本低,容易实现控制自动化等特

点!在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合,选用超

声波清洗可以达到用其他处理方法难以达到的效果!在某些

场合中( 如核工业) ,可以利用超声波清洗设备实现自动化清

洗,避免了对工人的伤害!超声波清洗作为一项实用性很强的

技术,被广泛应用于电子"机电等行业!

超声波清洗仪在使用过程中出现的液面高度变化"电路发

热等现象会造成谐振频率漂移"振幅下降甚至停止振荡,严重

影响清洗仪的清洗效果!锁相技术的提出,使频率自动跟踪成

为可能,但是由于锁相频率范围小,换能器也会出现失调现象!

为此设计了一种以单片机作为主控器的具有频率自动跟踪功

能的超声波清洗仪!

& 超声波清洗原理与结构设计

超声波清洗主要利用超声波在液体中的空化作用去除被

清洗物表面的污垢!空化作用是指存在于液体中的微气核空

化泡在声波的作用下振动,当声压达到一定值时发生的生长和

崩溃的动力学过程!清洗前期空化作用使液体局部产生剧烈

冲击,冲击力会破坏黏着物与被清洗物表面的粘着力; 清洗中

期空化气泡在污垢与物体的表面产生,空化气泡附近的压力可

以达到上千 2(+( # 2(+ Z#"#7 8!; \X2) ,气泡溃灭时,产生的冲

击效果能把污染物颗粒打碎,加快了污染物在清洗液中的溶解

速度; 清洗后期污垢会完全从物体表面脱离,从而达到精密清

洗的目的!

超声波清洗机主要由超声波发生器"换能器"清洗槽"加热

器"温度控制器"搅拌器等部分组成!将换能器做成喇叭型可

使波形辐射范围较大,效率更高,提高了能量利用率!为了减

少声超声波在传递过程中的能量损失,清洗槽与换能器粘结的

与清洗液接触的表面要进行抛光处理,降低空化腐蚀作用!

J 系统硬件设计

换能器控制的关键是实现频率的跟踪,目前市场上的超声

波发生器多采用简单人工手动调节输出信号频率来跟踪换能

器的谐振频率,但是手动调节精度不高,操作不可靠!为此,设

计了一个基于 >?bJ;" 的频率自动跟踪电路!系统由 ??4 信

号产生电路"驱动电路"逆变电路"匹配电路"信号反馈电路"单

片机控制电路及一些外围电路组成!

系统框图如图 # 所示,单片机控制 >?bJ;" 的频率输出,从

>?bJ;" 输出的信号经过驱动电路"逆变电路"匹配电路后驱动

将其传递给清洗液,完成清洗功能!在换能器工作期间及时将

负载端反馈信号传给单片机,单片机根据负载端电压电流的相

位情况,改变输入 >?bJ;" 的控制字,>?bJ;" 根据输入的控制

字更改频率和相位输出,使换能器保持在谐振工作状态,保证

了换能器输出功率的效率!

图 & 系统框图

JL & 信号产生电路设计

??4 芯片完成频率信号的产生!??4 芯片的基本原理是

利用采样定理,通过查表法产生波形!该设计选用 ??4 芯片

>?bJ;",它内部含有 # 个相位累加器( 8! 位) "# 个正弦查询表

( #$ 位) "# 个 ?@> 转换器( #" 位) 和 # 个高速比较器!>?bJ;"

准方波信号!

单片机 >-Jb=;# 用于控制 >?bJ;" 的输出频率!单片机

根据负载端电压和电流的相位关系改变输入控制字,单片机 X#

口与芯片 >?bJ;" 的 J 个数据口相连,$" 位控制字在单片机的

Ba? 与 -a? 引脚控制下通过 X# 口输入到 >?bJ;" 中,芯片

>?bJ;" 的 %LM- 和 %LM-O 引脚便得到了 ! 路互补的 X]A 信

号!

JL J 逆变电路及驱动电路的设计

%YO- 是结合了 Of-%大功率三极管&和 AL4CD-%场效应

管&的特性,混合发展出的一种新元件

[#]

!它不但兼有 AL4G

CD- 易驱动"功率晶体管高电压"大电流"工作频率高的优点,

而且还具有输出功率大"耐压高的优点,成为设计超声波发生

器逆变电路的最佳选择!设计时,%YO- 选用 =-#;4A 9!$ 晶体

管!

以 %YO- 作为主功率开关器件的单相全桥逆变电路如图 !

所示,功率开关管 j

#

和 j

$

构成一对桥臂,开关动作一致; j

!

和 j

8

构成另一对桥臂,开关动作一致!-

#

与 -

$

,-

!

与 -

8

的驱

动信号需要互补,即当 j

#

和 j

$

有( 无) 驱动信号时,j

!

和 j

8

无( 有) 驱动信号!二极管 ?

#

e ?

$

在晶体管关断时起到续流作

用!

图 J 单相全桥逆变电路图

由控制电路产生的 X]A 脉冲信号不能直接驱动 %YO- 管,

需要驱动电路将 X]A 信号进行隔离和放大,以保证 %YO- 的正

常工作

[!]

,依据全桥逆变电路驱动电路的设计原则

[8]

,以

%B!##" 芯片为核心的驱动电路的设计如图 8 所示,当 H%6 Z #"

^%6 Z # 时,HL Z ",^L Z ",晶体管导通,反之,晶体管关闭!为

了电路图的简洁,只附上了与 j

#

"j

8

相连接的驱动电路图!

图 K T!J&&’ 驱动电路图

%B!##" 芯片的驱动能力强"响应速度快"抗干扰能力好"内

设欠压封锁"易于调试,且与市场主流控制芯片兼容性良好,硬

件投资低!虽然 %B!##" 芯片给设计和应用提供了很多便利,

但如果自举元器件选取不当会造成 HL@^L 端没有信号输出,

所以应根据设计的具体电路图来选取自举电容和二极管等元

器件!

图 8 中,H

b

是自举电容,_#; d 电压经 H

b

"L

J

"j

8

给 H

b

电,当 j

8

关闭"j

#

开通时,H

b

有足够的能量来驱动 j

#

管的栅

极!如果 H

b

电容过小,当负载阻抗较大时,H

b

上的电压将达不

到自举电压,输出信号将被逻辑封锁,j

#

将不工作!逆变电路

的输出频率"占空比等因素也影响到自举电容的选取,逆变电

路输出频率和占空比较大而选取 H

b

过大时,H

b

不会很快达到

自举电压甚至达不到自举电压!设计中取 H

b

的值为 "7 #; "C

时可满足要求!

?

J

是自举二极管,当 %YO- 导通时,它可以避免主电路中

的高压电流窜入芯片电源端而烧毁 %B!#"" 芯片!自举二极管

的反向工作电压应高于 %YO- 的最大工作电压,并且具有快速

恢复的特性,所以自举二极管选用耐压值为 # \d 的快速恢复

二极管 CB#"Q)7 !"#$

会造成驱动脉冲的上升沿斜率下降,过小容易造成 %B!##" 过

流损坏!根据 %B!##" 芯片的最大传输延时时间可求出 2H 的

取值范围,进而得出 2

#"

"2

#!

的取值范围,设计中 2

#"

"2

#!

可取值

;" $I

JL K 匹配电路设计

换能器的静电抗特性造成它在工作频率上输出电压和电

流存在相位差,不能实现最大功率输出!需要匹配电路使发生

器和换能器阻抗相匹配,匹配效果的好坏直接影响超声波发生

器和换能器的效率!

换能器工作时的电抗特性为容性,一般通过将电感与之并

联或串联的方法使其等效为纯电阻,这就是换能器的调谐匹配

过程!若采用并联匹配方式,并联电感没有滤波作用,且电路

谐振时的纯电阻值不变!若选用串联匹配,输出负载的电阻减

小,并且电感有滤波作用,电路具有阻抗变换作用,所以选用串

联匹配形式,考虑设计余量,选用 "7 !; +H 的匹配电感!

JL M 频率自动跟踪电路设计

超声波清洗机在实际工作环境中出现的谐振频率漂移会

极大影响清洗仪的清洗效率

[;]

,为此设计了超声波清洗仪频率

自动跟踪系统,采用相位控制方法使超声波发生器的输出频率

能对工作中变化的超声波换能器的谐振频率进行跟踪!

换能器两端的电压与流过换能器的电流之间相位差的正

负"大小,代表激励信号的频率与振动系统固有频率之间的关

!当换能器处于谐振状态时,它的阻抗特性为纯电阻特

性,电流和电压的相位差为零!换能器电压与电流的相位差信

号即是换能器谐振频率的反馈信号,根据反馈信号控制功率发

生器的输出,实现频率自动跟踪!相位检测电路如图 $ 所示,

负载电压和电流信号的采集通过霍尔传感器实现,经过限流电

阻后将信号送给鉴相电路!

图 M 相位检测电路

传感器获得电压( 电流) 信号,首先经过由 ^A88b 组成的

过零比较电路后变成方波信号,然后经电阻分压后获得幅值为

; d 的方波信号,这两路信号输入 =?$"#8 触发器的 ? 端( 电

流) 和 =^o 端( 电压) ,这样每个电压脉冲采样 ? 端信号送给单

片机!若是电流和电压存在相位差,当 j 输出为高电平时,说

明电流相位超前; 当 j 输出为低电平时,说明电流相位滞后!

相位鉴定结果被送入单片机的引脚,单片机根据引脚的电平高

低来对频率进行调整!当读取到低电平时,说明当前频率高于

谐振频率,反之,当前频率低于谐振频率!单片机根据相位情

况,改变 >?bJ;" 的控制字,调整输出频率,使换能器保持在谐

振工作状态!

K 系统软件设计

系统主程序流程图如图 ; 所示,频率合成与自动跟踪子程

图 ( 主程序流程图

频率合成与自动跟踪子程序流程图

M 结束语

系统由单片机实现了智能化控制,采用数字频率合成技术

及相位控制方法实现了频率合成与自动跟踪!该超声波清洗

仪具有频率控制精度高,输出功率稳定,控制方便等优点,应用

前景广阔!

[#] 崔海娟,赵海明I 超声波大功率清洗机I 声学技术,!""BA 嵌入式近红外光谱仪器的研

[J] 姬先举,温志渝I 基于 =X^? 的光积分时间可调线阵 ==? 驱动电

网站首页 单片机电子单片机单片机电路新闻中心 联系我们 留言咨询
主营单片机,电子单片机,单片机电路,单片机IC,单片机MCU
电话:0436-669417 陈经理 地址:吉林省白城市
版权所有:吉林省久万单片机有限公司