基于STC單片機(jī)的超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)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(cè)、清洗、焊接、醫(yī)療等領(lǐng)域，甚至在紡織、航空領(lǐng)域也能見(jiàn)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(cè)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(guò)換能器，將功率超聲的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)強(qiáng)超聲波在液體傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生“空化效應(yīng)”。在空化氣泡突然閉合時(shí)發(fā)出的沖擊波可在其周?chē)a(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，對(duì)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(huì)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(diǎn)，特別在清洗復(fù)雜零件、盲孔、狹縫多的物件時(shí)，更凸顯它的優(yōu)勢(shì)。

1 超聲波清洗機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)是以STC單片機(jī)為控制核心，包括整流濾波、逆變、IGBT驅(qū)動(dòng)、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(hù)模塊。

圖1 超聲波清洗機(jī)原理框圖

在超聲波清洗機(jī)中，220 V50 Hz的市電輸入后分為兩路，一路用來(lái)產(chǎn)生大功率超聲波，另一路用來(lái)檢測(cè)、控制與顯示的供電作用，具體如圖1所示。其中，通過(guò)雙向可控硅可控制清洗機(jī)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(jī)械振動(dòng)。

2 超聲波清洗機(jī)各模塊設(shè)計(jì)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(hào)可以選擇MOC3021，1腳和3腳接調(diào)功模塊。光耦U1起到隔離強(qiáng)弱電的作用，增強(qiáng)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(guò)程中，整流濾波模塊與逆變模塊會(huì)發(fā)熱，可以將兩個(gè)模塊安裝在一個(gè)鋁片散熱器上，進(jìn)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，因此本文設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)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(gè)全控型開(kāi)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(bǔ)的信號(hào)，O1與Q2兩IGBT是輪流觸發(fā)的，即各交替進(jìn)行導(dǎo)通。同時(shí)，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(hù)開(kāi)關(guān)管Q1和Q2，防止電流過(guò)大。

變壓器T1和電阻R16、R17、R18、R19組成脈沖驅(qū)動(dòng)模塊，為Q1和Q2提供互補(bǔ)的觸發(fā)信號(hào)。由于IGBT的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jī)中，上下兩個(gè)IGBT器件留有一定的死區(qū)時(shí)間，以防止兩者同時(shí)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(shí)，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(dòng)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(dòng)模塊

在本超聲波清洗機(jī)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(gè)電阻Rd就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)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(guò)R1和R2可以調(diào)節(jié)PWM輸出頻率。管腳8接一個(gè)電容C51用來(lái)軟啟動(dòng)，減少功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)機(jī)沖擊。11和14腳輸出兩路互補(bǔ)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(dòng)變壓器T1驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT,控制逆變模塊實(shí)現(xiàn)半橋逆變（如圖3所示）。高頻變壓器T1起隔離強(qiáng)電與弱電的作用，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)原理：通過(guò)IAP15F2K61S2單片機(jī)的一個(gè)AD口檢測(cè)調(diào)功電阻上電壓大小，再通過(guò)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(guò)零延時(shí)觸發(fā)，即通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制輸出功率。其中，圖6為過(guò)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(cè)過(guò)零點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)，P3.3產(chǎn)生負(fù)脈沖。另外，IAP15F2K61S2單片機(jī)的P3.3口是一個(gè)外部中斷口，通過(guò)檢測(cè)過(guò)零脈沖獲得工頻電壓的過(guò)零點(diǎn)。

圖6過(guò)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(wú)功損耗，使壓電換能器輸出最大功率，需要通過(guò)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(shí)，即負(fù)載為純電阻狀態(tài)時(shí)，為使電源輸出最大功率，需要令實(shí)際負(fù)載和電源的最佳輸出阻抗相等，而實(shí)現(xiàn)方法為：通過(guò)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(jī)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(gè)真實(shí)的電學(xué)量；Ro是壓電換能器的介電損耗電阻，一般認(rèn)為Ro無(wú)窮大，通常忽略不計(jì)；Ld、Cd、Rd分別為壓電換能器的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻。當(dāng)Ld、Cd處于諧振時(shí)，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(gè)負(fù)載呈現(xiàn)出純電阻性。當(dāng)電源的輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，阻性負(fù)載上得到的功率只和負(fù)載的阻值有關(guān)，因此，需要采用高頻變壓器來(lái)進(jìn)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(yǔ)

文中根據(jù)實(shí)際需求，以STC一款型號(hào)為IAP15F2K61S2的單片機(jī)作為控制核心，提出了超聲波清洗機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了軟件、硬件的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)制作出了一款具有調(diào)功、調(diào)頻、定時(shí)功能的超聲波清洗機(jī)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本超聲波電源系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。