基于51單片機(jī)的超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一系列處理電路的作用后生成用來(lái)殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農(nóng)業(yè)上加以采用。在此對(duì)3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：

　　(1)信號(hào)發(fā)生模塊。12 MHz的8051單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計(jì)。

　　(2)信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片);倍頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、11 257.9 nH自制電感、1 kΩ電阻);整波電路設(shè)計(jì)(CD4069非門集成芯片);和頻電路設(shè)計(jì)(CD4081與門集成芯片);選頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、112.58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。

　　(3)信號(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字示波器的連接。

　　在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz);開關(guān)頻率：1.5～1.8 MHz;最大的輸出功率：500 W;功率范圍：50～500 W。

　　1 信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)

　　選取一個(gè)8051單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I/O口資源進(jìn)行相應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯：用P3.2口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否，用P0.O口、P0.1口發(fā)射初始信號(hào)，如圖1所示。

　　2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

　　2.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　如果將兩列波(0.03 MHz)直接從單片機(jī)的輸出口PO.O和P0.1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會(huì)由于電流小而不能驅(qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來(lái)考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門，而后接入由4個(gè)非門并聯(lián)的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號(hào)能量大大提高，起到驅(qū)動(dòng)電路的功能(若用方波發(fā)生器來(lái)代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路)。

　　2.2 倍頻電路的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)知識(shí)可以由已知條件得出：

　　如圖3所示，當(dāng)在LC并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，由電路的特性可知：

　　并聯(lián)諧振具有下列特征：

　　(1)諧振時(shí)電路的阻抗摸為|Zo|=1/(RC/L)=L/RC。其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時(shí)達(dá)到最小值，即I=IO=U/(L/RC)=U/|Zo|。

　　(2)由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0)，因此電路對(duì)電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。

　　(3)諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為：IL=U/2πfoL;Ic=U/(1/2πfoC)，可見IL=Ic>Io，品質(zhì)因數(shù)Q=IL/Io。

　　(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，電路阻抗摸最大，電流通過(guò)時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質(zhì)因數(shù)Q值越大，選擇性越強(qiáng)。

　　通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個(gè)工作區(qū)：

　　(1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)镮c和Ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對(duì)NPN型管來(lái)說(shuō)，應(yīng)使Ube>O，Ubc

　　(2)截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時(shí)，Ic=Iceo。對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)Ube

　　(3)飽和區(qū)。當(dāng)Uce

　　LC選頻電路接在集電極電路中，通過(guò)的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓)，它是并聯(lián)交流電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時(shí)，在擾動(dòng)信號(hào)中只有頻率為f0的分量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時(shí)，LC并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻Rc)。因此，對(duì)f0這個(gè)頻率來(lái)說(shuō)，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿足自激振蕩的條件時(shí)，就產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于其他頻率的分量，不能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號(hào)。當(dāng)改變LC電路的參數(shù)L或C時(shí)，輸出信號(hào)的振蕩頻率也就改變，于是就可以進(jìn)行倍頻，本實(shí)驗(yàn)用的是五倍頻，如圖4所示。

　　在實(shí)驗(yàn)中已知頻率和電容參數(shù)計(jì)算電感參數(shù)，由已知條件可得：Ll=L2=11257.9 nH;L3=112.58 nH。

　　由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在A1點(diǎn)或A2點(diǎn)(0.03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(O.15 MHz)，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　2.3 整波電路的設(shè)計(jì)

　　在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是CD4069集成非門電路，非門主要是將輸入信號(hào)波整合成方波以便于后面與門對(duì)波的進(jìn)一步處理。只要工作電壓達(dá)到非門的開啟電壓經(jīng)過(guò)這樣的處理就可將輸入波整合成方波，如圖6所示。

　　由5倍頻放大器輸出的信號(hào)頻率即在A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0.15 MHz)經(jīng)由兩個(gè)非門后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波，仿真結(jié)果如圖7所示。

　　2.4 和頻電路的設(shè)計(jì)

　　在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是CD4081集成與門電路，與門主要是將輸入的兩列方波信號(hào)相互作用后再輸出，而后進(jìn)入后面的5倍頻電路進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在本實(shí)驗(yàn)中與門起到了乘法器的作用，并且可以減少雜波的干擾，使實(shí)驗(yàn)效果更加良好。

　　其中與門實(shí)現(xiàn)和頻的原理是實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵，下面就對(duì)此做出討論：設(shè)兩列占空比為1;1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分別為f0和f1= f0+△，其中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f1為待測(cè)頻率，設(shè)f1≥f0且1≤f1/f0<2(同理可證明f0≥f1且1≤f0/fl<2的情況)，△max=max{△}

　　根據(jù)傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為2l周期函數(shù)f(x)滿足收斂定理?xiàng)l件，則它的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為：

　　假設(shè)有兩列波：

　　方波1可表示為：

　　sinω1t+(1/3)sin3ω1t+(1/5)sin5ω1t+…

　　方波2可表示為：

　　sinω2t+(1/3)sin3ω2t+(1/5)sin5ω2t+…

　　方波1乘以方波2就為ω1+ω2波。

　　本實(shí)驗(yàn)中方波1(0.15 MHz)與方波2(0.15 MHz)經(jīng)過(guò)與門后就變成0.3 MHz(0.15MHz+0.15MHz)的方波，如圖8所示。

　　由非門輸出的信號(hào)頻率即在A5點(diǎn)(0.15MHz)或A6點(diǎn)(0.15MHz)經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率為O.3 MHz的方波(即在A7點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖9所示。

　　2.5 選頻電路的設(shè)計(jì)

　　在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，如圖10所示。

　　由與門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)(O.3 MHz)經(jīng)過(guò)5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5 MFIz，仿真結(jié)果如圖11所示。

　　2.6 整體電路的設(shè)計(jì)

　　整體電路如圖12所示。由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在A1點(diǎn)或A2點(diǎn)(O.03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0.15 MHz);經(jīng)由2個(gè)非門后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波;由非門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率相加的方波(O.3 MHz);由與門輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)經(jīng)過(guò)5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5 MHz(A8點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖13所示。

　　3 信號(hào)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

　　在本設(shè)計(jì)中由信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出O.03 MHz初始信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊后是否達(dá)到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊檢測(cè)最終信號(hào)是否達(dá)到1.5～1_8 MHz的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，經(jīng)過(guò)查看圖形，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，如圖14所示。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的農(nóng)用超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩(wěn)定。該超聲波發(fā)生器不僅可以在農(nóng)業(yè)上用來(lái)殺滅水蚤，而且可以一機(jī)多用，因?yàn)樵摍C(jī)的功能完全取決于8051單片機(jī)的所編程序，根據(jù)實(shí)際需要，可以隨時(shí)改變程序設(shè)計(jì)來(lái)滿足要求，可移植性好。該超聲波發(fā)生器成本較低，實(shí)用性好，便于在農(nóng)業(yè)上廣泛普及。