基于STC單片機的超聲波清洗機設(shè)計方案

隨著超聲波技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波廣泛應(yīng)用于檢測、清洗、焊接、醫(yī)療等領(lǐng)域，甚至在紡織、航空領(lǐng)域也能見到它的蹤跡。目前，超聲的研究和應(yīng)用可分為功率超聲和檢測超聲兩大領(lǐng)域，超聲清洗是功率超聲最為廣泛的應(yīng)用之一。它通過換能器，將功率超聲的聲能轉(zhuǎn)換成機械振動，同時強超聲波在液體傳播時會產(chǎn)生“空化效應(yīng)”。在空化氣泡突然閉合時發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，對污層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會引起污物層的破壞而脫離清洗件表面并使它們分散到清洗液中，以清除物體表面的雜質(zhì)、污垢或油膩。與其他清洗相比，超聲波清洗具有效率高、能耗低、清潔環(huán)保的特點，特別在清洗復(fù)雜零件、盲孔、狹縫多的物件時，更凸顯它的優(yōu)勢。

1 超聲波清洗機總體方案設(shè)計

文中設(shè)計的超聲波清洗機是以STC單片機為控制核心，包括整流濾波、逆變、IGBT驅(qū)動、PWM發(fā)生與控制、頻率掃描顯示、功率調(diào)節(jié)、調(diào)諧匹配與阻抗匹配模塊以及相關(guān)保護模塊。

圖1 超聲波清洗機原理框圖

在超聲波清洗機中，220 V50 Hz的市電輸入后分為兩路，一路用來產(chǎn)生大功率超聲波，另一路用來檢測、控制與顯示的供電作用，具體如圖1所示。其中，通過雙向可控硅可控制清洗機的功率。逆變模塊為半橋逆變，把直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓，再經(jīng)調(diào)諧匹配與阻抗匹配模塊的變壓器升壓以及電感匹配，可以高效率、最大功率地輸送到壓電換能器。最后，壓電換能器把超聲波電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為高頻機械振動。

2 超聲波清洗機各模塊設(shè)計原理

2.1 整流濾波與功率調(diào)節(jié)模塊

220 V50 Hz交流電經(jīng)整流橋B1整流以及電解電容C12濾波后產(chǎn)生直流輸出電壓。其中雙向可控硅TR1用于功率調(diào)節(jié)，C11為安規(guī)電容，R11和C11主要用于消除高頻干擾。而U1為光耦，型號可以選擇MOC3021，1腳和3腳接調(diào)功模塊。光耦U1起到隔離強弱電的作用，增強了電路的可靠性和安全性。

圖2 整流濾波模塊

在超聲波電源系統(tǒng)的工作過程中，整流濾波模塊與逆變模塊會發(fā)熱，可以將兩個模塊安裝在一個鋁片散熱器上，進行風(fēng)冷散熱。這樣，系統(tǒng)可以更安全可靠工作。

2.2 逆變與脈沖驅(qū)動模塊

由于半橋逆變電路所用到的功率器件少，成本低，而且控制相對簡單，因此本文設(shè)計的超聲波清洗機采用半橋逆變電路。

圖3 半橋逆變模塊

在半橋逆變電路中，兩個全控型開關(guān)器件為IGBT，即Q1與Q2和二極管D11和D12構(gòu)成半橋逆變，在Q1和Q2上加以互補的信號，O1與Q2兩IGBT是輪流觸發(fā)的，即各交替進行導(dǎo)通。同時，在直流側(cè)輸入端接的電容C1和C2應(yīng)足夠大，并且C1=C2，容值可選2μF以上。同樣，電阻R14、R15也應(yīng)足夠大，并且R14=R15，阻值可選100 kΩ以上。熔斷器F11和F12用于保護開關(guān)管Q1和Q2，防止電流過大。

變壓器T1和電阻R16、R17、R18、R19組成脈沖驅(qū)動模塊，為Q1和Q2提供互補的觸發(fā)信號。由于IGBT的驅(qū)動電壓應(yīng)小于20 V，而T12，T14間的輸入電壓約12 V，因此變壓器T1變比設(shè)計為1:1:1.R18、R19用于限流作用，可選20 Ω左右的電阻。在本超聲波清洗機中，上下兩個IGBT器件留有一定的死區(qū)時間，以防止兩者同時導(dǎo)通。

2.3 變壓與線性穩(wěn)壓

220 V50 Hz交流電經(jīng)變壓器T4降壓為12 V,再經(jīng)整流橋B4整流、C41濾波以及U1（L7812）線性穩(wěn)壓后，輸出12 V直流電壓，給PWM發(fā)生與控制模塊供電。同時，直流12 V再經(jīng)U2（L7805）二次穩(wěn)壓變?yōu)? V，為處理器IAP15F2K61S2工作提供電源。LED1發(fā)光二極管，起電源指示作用。為了減少電壓的脈動系數(shù)，加入了電容C43、C44多次濾波。

圖4 降壓與線性穩(wěn)壓

2.4 PWM發(fā)生與控制模塊以及驅(qū)動模塊

在本超聲波清洗機中，以KA3525A作為PWM發(fā)生與控制芯片。如圖5所示，KA3525A振蕩頻率的設(shè)定范圍為20~40 kHz,芯片的腳5和腳7間串聯(lián)一個電阻Rd就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。KA3525A的振蕩頻率可表示為：

式中：CT、RT分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；Rd是與腳7相連的放電端電阻。此處：Rd、CT、RT分別為圖中的R52、C5、（R51+Rp51）。其中，Rp51為精密可調(diào)電阻，即通過R1和R2可以調(diào)節(jié)PWM輸出頻率。管腳8接一個電容C51用來軟啟動，減少功率開關(guān)管的開機沖擊。11和14腳輸出兩路互補的PWM波，經(jīng)中功率的三極管Q1、Q2、Q3、Q4放大，再經(jīng)脈沖驅(qū)動變壓器T1驅(qū)動兩個IGBT,控制逆變模塊實現(xiàn)半橋逆變（如圖3所示）。高頻變壓器T1起隔離強電與弱電的作用，增強了驅(qū)動能力和電源的可靠性。

圖5 PWM發(fā)生與控制模塊

2.5 功率調(diào)節(jié)模塊

功率調(diào)節(jié)的實現(xiàn)原理：通過IAP15F2K61S2單片機的一個AD口檢測調(diào)功電阻上電壓大小，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得AD數(shù)值。再根據(jù)此值控制雙向可控硅TR1過零延時觸發(fā)，即通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制輸出功率。其中，圖6為過零觸發(fā)原理圖，12 V交流電經(jīng)二極管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限壓，再經(jīng)三極管Q3檢測過零點。當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時，P3.3產(chǎn)生負脈沖。另外，IAP15F2K61S2單片機的P3.3口是一個外部中斷口，通過檢測過零脈沖獲得工頻電壓的過零點。

圖6過零觸發(fā)原理圖

2.6 調(diào)諧匹配與阻抗匹配模塊

超聲波電源與換能器的匹配主要是調(diào)諧匹配和阻抗匹配。在調(diào)諧匹配中為減少靜電抗產(chǎn)生的無功損耗，使壓電換能器輸出最大功率，需要通過匹配使換能器近似于純電阻狀態(tài)，提高超聲波電源輸出效率。另外，若完成了調(diào)諧匹配時，即負載為純電阻狀態(tài)時，為使電源輸出最大功率，需要令實際負載和電源的最佳輸出阻抗相等，而實現(xiàn)方法為：通過高頻變壓器使換能器的阻抗變換為超聲波電源的最佳輸出阻抗，從而使壓電換能器輸出最大功率。

圖7為超聲波清洗機調(diào)諧匹配與阻抗匹配模塊。其中，虛線框內(nèi)為壓電換能器的等效電路圖。

圖7調(diào)諧匹配與阻抗匹配

其中，Co是壓電換能器的靜態(tài)電容，主要是由夾持而產(chǎn)生的電容，它是一個真實的電學(xué)量；Ro是壓電換能器的介電損耗電阻，一般認為Ro無窮大，通常忽略不計；Ld、Cd、Rd分別為壓電換能器的動態(tài)電感、動態(tài)電容和動態(tài)電阻。當(dāng)Ld、Cd處于諧振時，串聯(lián)支路為純阻。在串聯(lián)電感調(diào)諧匹配作用下，超聲波電源的整個負載呈現(xiàn)出純電阻性。當(dāng)電源的輸出電壓穩(wěn)定時，阻性負載上得到的功率只和負載的阻值有關(guān)，因此，需要采用高頻變壓器來進行阻抗變換，從而使超聲波電源能夠以最大功率輸出。

3 結(jié)束語

文中根據(jù)實際需求，以STC一款型號為IAP15F2K61S2的單片機作為控制核心，提出了超聲波清洗機系統(tǒng)整體設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案，進行了軟件、硬件的設(shè)計和調(diào)試，保證其工作頻率在20~50 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，死區(qū)時間穩(wěn)定，從而使與超聲波電源與壓電換能器匹配后能夠產(chǎn)生大功率的超聲波。最后根據(jù)設(shè)計制作出了一款具有調(diào)功、調(diào)頻、定時功能的超聲波清洗機。通過現(xiàn)場試驗，本超聲波電源系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地工作。