浅谈基于单片机的超声波清洗机的系统硬件设计

超声波清洗机换能器将超声波电能转换为高频机械振动，是该机的关键设备，在此选用压电式超声波清洁换能器，其功率为60W，频率为33kHz。

33 kHz的高频信号由 SPCE061A单片机的APWMO口输出，单片机依据从超声波清洗机换能器得到的反应信号进行归纳分析以进行频率调制，完成频率主动盯梢。功率调理经过改动 PWM 信号的脉冲宽度来完成。从单片机输出的高频信号经半桥功放，经过输出变压器、电感、电容构成的匹配网络驱动超声波换能器宣布超声波。

超声波清洗机控制电路的核心部件为 SPCE061A 单片机，其外围电路包含键盘电路、守时时刻及参数显现电路、高频信号输出、反应信号输入等。频率主动盯梢由单片机完成，判别频率是不是同步的标准是换能器负载回路的电流和电压是不是同相，即换能器振动回路是不是处于谐振点。

为削减体系的复杂性并进步体系的稳定性，在此选用电压最大值法完成频率盯梢。超声波清洗机电压最大值法原理是：换能器负载回路选用串联谐振电路，当阻抗匹配和调谐匹配共同时，电路出现谐振状况，换能器上的电压达到最大值。

依据这一原理，体系上电时，SPCE061A的APWMO输出30～35 kHz的高频信号，一起检查对应的负载回路电压，以电压最大值时的频率为所需频率。在体系运行时，可经过检查电压的改变来调理输出频率，然后完成频率盯梢。图中“CHK”为电压检查反应信号，接入SPCE061A的IOA0(LIN-IN0)引脚。图中“PWM”为SPCE061A输出的高频信号，由SPCE061A的IOB8(APWMO)引脚输出，输出信号的频率及占空比经进程序完成[9]。SPCE061A输出的PWM信号不能直接驱动超声波换能器，有必要经过功率扩大才干驱动换能器。体系驱动电路如图3所示。

由SPCE061A输出的高频脉冲信号，经高频变压器T1的扩大发生两个反相的方波鼓励信号，该信号经稳压限幅后别离接到场效应管Q1、Q2的门极。正半周时，当Q1的门极驱动脉冲为高电平时，Q2的门极驱动脉冲必为低电平，则Q1饱满导通，Q2截止，电源电压经过Q1加到Q2的漏极上，然后经过C3、变压器 2的原边绕组、C2到地，构成C2充电回路。C1经过Q1、C3、变压器原边绕组放电，这么在变压器T2的副边感应一个正半周的脉冲电压。负半周时，Q2饱满导通，Q1截止，电源电压经过C1、变压器T2原边绕组、C3、Q2到地，构成 C1充电回路。C2经过变压器T2原边绕组、C3、Q2放电，这么在变压器 T2的副边感应一个负半周的脉冲电压，然后构成一个与SPCE061A的APWMO口输出信号频率共同的扩大了的高频脉冲。

超声波清洗机换能器要高效作业，有必要使超声波发生器与换能器的阻抗相匹配，否则将致使超声波发生器与换能器功能的下降，严峻的乃至损坏器材。超声波发生器与换能器的匹配包含两个方面，一是阻抗匹配，另一个调谐匹配。

阻抗匹配是因为超声波电源需求一个最好负载才干输出额外功率，这么经过阻抗匹配使超声波换能器的阻抗变换为最好负载，超声波电源才干向超声波换能器输出额外的电功率。超声波电源输出的功率大小首要取决于等效负载阻抗。

这篇文章的半桥功率扩大器其变压器原边等效负载阻抗RL′上的输出功率表达式为：

因为超声波清洗机换能器有静电容C0，在必定作业频率下，换能器上电压V与电流I间存在一个相位角φ，其输出功率P=VIcos准。因为相位角φ的存在，使超声波换能器得不到希望的最大输出功率，使超声波电源输出功率下降。调谐匹配使超声波换能器两端的电压和电流同相，然后使功率最高。

匹配调谐电路的意图是用来改进电发生器和超声波换能器之间的耦合进程，以便使电发生器输出的功率高功率地传输给换能器。

调谐匹配一般选用串联电感或并联电感两种办法。关于开关型超声电源来说，串联匹配能有用的滤除其输出方波信号中的谐波成分，因而串联匹配使用较多。本机选用串联匹配电感的方法，匹配电感L0串接在输出变压器T2副边绕组与换能器的回路中。超声波换能器与匹配电感构成的耦合振动电路如图4所示。耦合振动电路的初级由匹配电感L0、初级回路损耗电阻R0和换能器静态电容C0构成，次级由C0和换能器动态电感L1、动态电容C1以及动态电阻R1构成。

超声波清洗机在各谐振点附近挑选使体系作业功率最高的频率点作为超声波换能器的作业频率。在实践作业中，因为换能器的频率漂移使体系失谐时，只需调理IOB8引脚输出信号的频率，使体系从头谐振，从头回到匹配状况。