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基于SPCE061A单片机的超声波清洗机设计

基于SPCE061A单片机的超声波清洗机设计

图! 系统原理框图单片机 功率放大 阻抗匹配网络 超声波换能器频率自动跟踪基于 ")$%&*+( 单片机的超声波清洗机设计齐延兴!

! 杨雪银,(-.临沂师范学院物理系,山东 临沂 ,/0&&1;。临沂师范学院工程学院,山东 临沂 ,/0&&1)

摘 要!针对半导体器件"印制电路板等表面形状复杂且易损坏的器件,其表面污物难于清洗的状况,介绍了一种基于 ")$%&0-( 单片机控制的超声波清洗机!依据超声波清洗原理,分析了超声波清洗机的工作过程,对超声波清洗机的控制电路“驱动电路”频率自动跟踪技术"阻抗匹配及系统软件设计方法进行了详细介绍!该超声波清洗机可以实现频率自动跟踪“功率调节及定时等功能,另外有振荡”扫描两种工作方式可供选择!实验表明,该超声波清洗机工作可靠,清洗效果好!

关键词!超声波清洗;换能器;")$%&0-( 单片机;频率跟踪;阻抗匹配中图分类号4文献标识码!( 文章编号+,7(+.HFI@JKLFAK MN )OGP>QP,R>AG> SMJL@T UA>VFJP>KG,R>AG> ,/0&&1,$O>A@;,R>AG> SMJL@T UA>VFJP>KG,R>AG> ,/0&&1,$O>A@)

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- 引 言超声清洗是利用超声波在清洗液中的空化作用"加速度作用及直进流作用,产生的冲击,将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物震落剥离下来!

目前常用的超声波清洗机中,以空化作用和直进流作用为主!超声波清洗机主要应用于电子"光学和医疗领域,用来清洗半导体器件“印制电路板”玻璃器具等!

超声波清洗机由超声波发生器"超声波换能器"超声清洗槽及控制电路组成!超声波清洗机主要利用超声波发生器产生超声波信号并传入超声波换能器,超声波换能器将超声波电能转换为高频机械振动并传入清洗液中,在清洗液中产生空化作用,从而达到超声波清洗的目的!

超声波清洗机控制的关键是频率跟踪,也就是使超声波电源输出频率和换能器频率一致,这样才能形成共振,使换能器处于最佳工作状态,清洗效果最好_0‘!目前,常用的频率跟踪技术采用锁相环方式,该方法简单易实现,跟踪效果好,但功能单一!

本文采用单片机实现全数字控制,以便于设置相关参数!该机的主要功能有频率自动跟踪“功率调节”

振荡工作方式“扫描工作方式”定时功能!

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"""47/700(@0.@图0 控制电路图振动,是该机的关键设备,在此选用压电式超声波清洗换能器,其功率为 ). C,频率为 // OEN!系统总体设计方案如图 7 所示!

的高频信号由 $%&’.)7+ 单片机的口输出,单片机根据从超声波换能器得到的反馈信号进行综合分析以进行频率调制,实现频率自动跟踪!功率调节通过改变 %CD 信号的脉冲宽度来实现!从单片机输出的高频信号经半桥功放,通过输出变压器“电感”电容组成的匹配网络驱动超声波换能器发出超声波!系统具体控制电路如图0 所示!

控制电路的核心部件为 $%&’.)7+ 单片机,其外围电路包括键盘电路"定时时间及参数显示电路“高频信号输出”反馈信号输入等!

频率自动跟踪由单片机实现,判断频率是否同步的标准是换能器负载回路的电流和电压是否同相,即换能器振荡回路是否处于谐振点!

为减少系统的复杂性并提高系统的稳定性,在此采用电压最大值法实现频率跟踪!

根据这一原理,系统上电时,$%&’.)7+ 的输出 /!/" OEN 的高频信号,同时检测对应的负载回路电压,以电压最大值时的频率为所需频率!在系统运行时,可通过检测电压的变化来调节输出频率,从而实现频率跟踪!图中(&EA)为电压检测反馈信号,接入 $%&’.)7+ 的 ,-+.(:,RG,R.

)引脚!图中(%CD)为 $%&’.)7+ 输出的高频信号,由的 ,-32(+%CD-)引脚输出,输出信号的频率及占空比通过程序实现P1Q输出的 %CD 信号不能直接驱动超声波换能器,必须通过功率放大才能驱动换能器!系统驱动电路如图/ 所示!

由 $%&’.)7+ 输出的高频脉冲信号,经高频变压器 "7的放大产生两个反相的方波激励信号,该信号经稳压限幅后分别接到场效应管 #7"#0的门极!

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%的门极驱动脉冲为高电平时,!

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的门极驱动脉冲必为低电平,则 !

%饱和导通!

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截止,电源电压通过 !

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的漏极上,然后通过"&"变压器 #!

的原边绕组"!

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%"&"变压器原边绕组放电,这样在变压器 #!

的副边感应一个正半周的脉冲电压!负半周时,!

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饱和导通!

%截止,电源电压通过 "%"变压器#!

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通过变压器 #!

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放电,这样在变压器 #!

的副边感应一个负半周的脉冲电压,从而形成一个与的 ,(-./ 口输出信号频率一致的放大了的高频脉冲!

超声波换能器要高效工作,必须使超声波发生器与换能器的阻抗相匹配,否则将导致超声波发生器与换能器性能的降低,严重的甚至损坏器件!超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面,一是阻抗匹配,另一个调谐匹配!

阻抗匹配是由于超声波电源需要一个最佳负载才能输出额定功率,这样通过阻抗匹配使超声波换能器的阻抗变换为最佳负载,超声波电源才能向超声波换能器输出额定的电功率!

超声波电源输出的功率大小主要取决于等效负载阻抗!

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由此式可知,在电源电压给定后,输出功率取决于原边等效负载阻抗 $%!为达到额定功率,需对换能器负载$%进行阻抗匹配!

阻抗匹配可通过调整输出变压器 #!

原边和副边绕组的匝数比来实现!

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!本机中换能器功率为 +" -,直流电为 !"" 3,功放管压降约为 ! 3,功率留有%45倍余量,可计算得 约为 6$ "!换能器谐振时等效电阻约 !“ ”,则变压器副边7原边绕组匝数比为:+,0!"6$!

由于超声波换能器有静电容 "",在一定工作频率下,换能器上电压’ 与电流 - 间存在一个相位角,其输出功率 & . ’-9:;"!由于相位角 ! 的存在,使超声波换能器得不到期望的最大输出功率,使超声波电源输出效率降低!调谐匹配使超声波换能器两端的电压和电流同相,从而使效率最高!

匹配调谐电路的目的是用来改善电发生器和超声波换能器之间的耦合过程,以便使电发生器输出的功率高效率地传输给换能器!

调谐匹配通常采用串联电感或并联电感两种方法!对于开关型超声电源来说,串联匹配能有效的滤除其输出方波信号中的谐波成分,因此串联匹配应用较多!本机采用串联匹配电感的方式,匹配电感 %"串接在输出变压器 #!

副边绕组与换能器的回路中!超声波换能器与匹配电感形成的耦合振荡电路如图 8 所示!耦合振荡电路的初级由匹配电感%""初级回路损耗电阻 $"和换能器静态电容 ""组成,次级由 ""和换能器动态电感 %%“动态电容 ”

%以及动态电阻 $%组成!由图可知,初级回路的自然频率为 #"0%%"""!

,在各谐振点附近选择使系统工作效率最高的频率点作为超声波换能器的工作频率!

在实际工作中,由于换能器的频率漂移使系统失谐时,只需调节 </=6 引脚输出信号的频率,使系统重新谐振,重新回到匹配状态!

& 软件设计系统软件设计采用@.

集成开发环境<A*,它集程序的编辑“编译”链接"调试以及仿真等功能为一体,具有友好的交互界面"快捷键和快速访问列表等,使编程"调试工作方便且高效单片机内部集成了进行在线编程控制的功能模块,因此,在调试过程中无需插拔任何芯片,也无需切断电源!

单片机的控制软件由主程序和中断服务程序组成!主程序流程图如图 5 所示!开机时对系统进行初始化,初始化工作包括 )(B 时钟选择"定时器计数时钟设置以及相应 <7/ 口和 ,7A 转换器的初始化!其中设置 )(B 时钟频率为 8#4%5.CD,定时器 @EFGH, 计数时钟采用最高的时钟频率,即)(B 时钟频率的二分频,采用最高时钟频率的原因是高的时钟频率比较容易得到精确的基准频率!

%"%%"%""$%$"图8 匹配耦合电路66第 !" 卷第 # 期数据依据!而选择合适的测试系统可以带来很高的军事效应和经济效益!随着光纤技术的不断成熟,光纤光栅传感技术的应用将突破传统的设计思想!

将光纤光栅传感技术用于舰船抗冲击测量,可以解决传统的传感器难以解决的问题,如传感器布放,信号的动态幅度大“频带宽”远距离传输与控制"电磁干扰等问题,测量灵敏度高,精度高,信号"数据可多路传输,便于与计算机连接,从而得到较理想的测量结果,能提高系统的稳定性和可靠性!

参考文献$%& 温华兵’水下爆炸载荷下舰船结构冲击响应研究现状$(&’中外船舶科技,)**+()

):,,)**O!P(%*):$O& 王目光,李唐军,卓 锋,等’应变和温度同时测量光纤光栅传感器的研究$(&’传感器技术,)TT%,)T(P):$+&黄俊斌,尹 进,张心天,等’波分复用分布式 7AB 传感网络$(&’传感器技术,)TTO,))(%)):,X.3=/:= N V B,,)TT#(#)):$R&姜德生S专题报告$$$我国光纤传感器的发展与产业化$(&S世界仪表与自动化,)TT)

通过对定时器的初始化,使引脚输出 OT!O"G6^ 的脉冲序列,同时检测超声波换能器两端电压,将电压最大值对应的频率设置为谐振频率!

系统在实际运行时,由于所用元器件参数的变化及工作条件的变化,谐振频率也会发生变化!通过对换能器两端电压进行采样,将采样值送入 _TYT(N_UQ_UT),由 W]VMTR%Y 单片机内部集成的 %T 位逐次逼近式 Y‘a 转换器进行模数转换!实际程序中,连续采样 [ 次换能器两端电压值,进行平均值滤波,取该平均值为 Y‘a 转换结果!将该Y‘a 转换结果与谐振时电压值进行比较,根据比较结果调整输出脉冲序列的频率,从而实时调整谐振频率!键盘是通过程序对相应端口的扫描来识别的,通过键盘设定的工作方式“功率”定时时间由 NMa 动态显示!定时选用定时器 1;D=5A,定时时间到产生中断,进入中断服务程序!

# 系统调试系统调试的关键是负载回路的匹配问题!在调试前,串联谐振回路的器件要进行老化处理,调试中可通过高频示波器观察电压和电流的波形,比较相位差,调整相关参数,直到电压和电流同相!

" 结束语系统由 W]VMTR%Y 单片机实现了智能化控制,利用电压最大值法实现了频率的自动跟踪!该超声波清洗机清洗效果好,转换效率高,应用前景广阔!

参考文献$%& 孙洪日S超声波清洗原理与工艺分析$(&S电子工艺技术,)TT%,))())::,%P[T,[(%):,,A59/==3 V,,)TTT,%T[("):$#& 贾亚雷S超声波清洗机的设计$(&S煤炭机电,)TT\(O):$"&崔海娟,赵海明S 超声波大功率清洗机 $(&S 声学技术,)TT\,)R(R):$R& 郭 琳S基于单片机控制的超声波清洗生产线$(&S淮阴师范学院学报,)TTR,"(#):$\& 张立材 S 基于 W]VMTR%Y 的多功能信号发生器设计实现$(&S微计算机信息,)TT#,)T(O):$[& 张 丹S凌阳 W]VMTR%Y 单片机的超声波测距系统设计$(&S陕西师范大学学报,)TT\,O"(#):$P& 罗亚非S凌阳 %R 位单片机应用基础$8&S北京:航空航天大学出版社,频率自动跟踪工作方式选择定时到!

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