基于STC單片機的超聲波清洗機

摘要：針對目前工業(yè)清洗問(wèn)題，設計了一款基于STC單片機超聲波清洗機系統。該系統采用STC15F2系列的單片機為控制核心，加以功率調節、半橋逆變、PWM發(fā)生與控制等模塊電路，利用了調諧匹配和阻抗匹配，使壓電換能器輸出最大功率。本超聲波清洗機具有功率、頻率可調、定時(shí)清洗的功能，以及清洗效率高、成本低、運行穩定的特點(diǎn)，達到節能環(huán)保的目的，應用前景廣闊。

隨著(zhù)超聲波技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波廣泛應用于檢測、清洗、焊接、醫療等領(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用之一。它通過(guò)換能器，將功率超聲的聲能轉換成機械振動(dòng)，同時(shí)強超聲波在液體傳播時(shí)會(huì )產(chǎn)生“空化效應”。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，對污層的直接反復沖擊，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。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)，特別在清洗復雜零件、盲孔、狹縫多的物件時(shí)，更凸顯它的優(yōu)勢。

1 超聲波清洗機總體方案設計

文中設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驅動(dòng)、PWM發(fā)生與控制、頻率掃描顯示、功率調節、調諧匹配與阻抗匹配模塊以及相關(guān)保護模塊。

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(lái)產(chǎn)生大功率超聲波，另一路用來(lái)檢測、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化為高頻機械振動(dòng)。

2 超聲波清洗機各模塊設計原理

2.1 整流濾波與功率調節模塊

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用于功率調節，C11為安規電容，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。

在超聲波電源系統的工作過(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，系統可以更安全可靠工作。

2.2 逆變與脈沖驅動(dòng)模塊

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

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(jìn)行導通。同時(shí)，在直流側輸入端接的電容C1和C2應足夠大，并且C1=C2，容值可選2μF以上。同樣，電阻R14、R15也應足夠大，并且R14=R15，阻值可選100 kΩ以上。熔斷器F11和F12用于保護開(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組成脈沖驅動(dòng)模塊，為Q1和Q2提供互補的觸發(fā)信號。由于IGBT的驅動(dòng)電壓應小于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(gè)IGBT器件留有一定的死區時(shí)間，以防止兩者同時(shí)導通。

2.3 變壓與線(xiàn)性穩壓

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(xiàn)性穩壓后，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，加入了電容C43、C44多次濾波。

2.4 PWM發(fā)生與控制模塊以及驅動(dòng)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調節死區時(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為精密可調電阻，即通過(guò)R1和R2可以調節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)脈沖驅動(dòng)變壓器T1驅動(dòng)兩個(gè)IGBT，控制逆變模塊實(shí)現半橋逆變(如圖3所示)。高頻變壓器T1起隔離強電與弱電的作用，增強了驅動(dòng)能力和電源的可靠性。

2.5 功率調節模塊

功率調節的實(shí)現原理：通過(guò)IAP15F2K61S2單片機的一個(gè)AD口檢測調功電阻上電壓大小，再通過(guò)模數轉換獲得AD數值。再根據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檢測過(guò)零點(diǎn)。當電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)，P3.3產(chǎn)生負脈沖。另外，IAP15F2K61S2單片機的P3.3口是一個(gè)外部中斷口，通過(guò)檢測過(guò)零脈沖獲得工頻電壓的過(guò)零點(diǎn)。

2.6 調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諧匹配和阻抗匹配。在調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，若完成了調諧匹配時(shí)，即負載為純電阻狀態(tài)時(shí)，為使電源輸出最大功率，需要令實(shí)際負載和電源的最佳輸出阻抗相等，而實(shí)現方法為：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為超聲波清洗機調諧匹配與阻抗匹配模塊。其中，虛線(xiàn)框內為壓電換能器的等效電路圖。

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，一般認為Ro無(wú)窮大，通常忽略不計;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Ld、Cd處于諧振時(shí)，串聯(lián)支路為純阻。在串聯(lián)電感調諧匹配作用下，超聲波電源的整個(gè)負載呈現出純電阻性。當電源的輸出電壓穩定時(shí)，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(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 結束語(yǔ)

文中根據實(shí)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整體設計方案。根據設計方案，進(jìn)行了軟件、硬件的設計和調試，保證其工作頻率在20～50 kHz范圍內連續可調，死區時(shí)間穩定，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。最后根據設計制作出了一款具有調功、調頻、定時(shí)功能的超聲波清洗機。通過(guò)現場(chǎng)試驗，本超聲波電源系統能夠長(cháng)時(shí)間穩定地工作。