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作者：五邑大学 冯志鹏 王伟彬 林雄威

指导教师：黄辉

　 作品简介

　　平台选型说明

　　设计说明

　　第一章 概述

　　本作品是基于STC单片机的超声波清洗机，其包括整流滤波模块、逆变模块、IGBT驱动模块、PWM发生与控制模块、频率扫描显示模块、功率调节模块、调谐匹配与阻抗匹配模块以及相关保护模块。

　　超声波清洗原理：主要是通过换能器，将功率超声的声能转换成机械振动，同时强超声波在液体传播时会产生“空化效应”。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力, 对污层的直接反复冲击, 一方面破坏污物与清洗件表面的吸附, 另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中,以清除物体表面的杂质、污垢或油腻。

　　第二章 超声波清洗机总体方案设计

　　超声波清洗机设计原理：220V50Hz的市电输入后分为两路，一路用来产生大功率超声波;另一路用来检测、控制与显示的供电作用。

　　首先，一路220V50Hz交流电经整流滤波后产生直流输出电压，输送到逆变电路。其中，通过双向可控硅可控制清洗机的功率。逆变模块为半桥逆变，把直流电压逆变为高频交流电压，再经调谐匹配与阻抗匹配模块的变压器升压以及电感匹配，可以高效率、最大功率地输送到超声波换能器。最后，超声换能器把超声波电源输出的电能转化为机械能，产生超声波。

　　其次，另一路220V50Hz交流电经变压器降压为12V，再经整流滤波稳压后给PWM发生与控制模块供电。同时，直流12V再经二次稳压变为5V，为单片机工作提供电源。单片机通过实时检测功率调节模块的变化改变双向可控硅的导通与关断，从而调节功率。另外单片机通过实时检测PWM发生与控制模块的频率变化给予实时显示。两路互补的PWM波经中功率的三极管推挽放大再经高频变压器驱动IGBT，控制逆变模块实现半桥逆变。

　　第三章 超声波清洗机各模块设计原理

　　3.1 整流滤波模块

　　20V50Hz交流电经整流桥B1整流以及电解电容C26滤波后产生直流输出电压。其中双向可控硅S1用于功率调节。

　　在超声波电源系统的工作过程中，整流滤波模块与逆变模块会发热，当产生热量太高时影响器件的工作质量，因此需要对它们进行散热。将两个 IGBT 模块与全桥整流模块一起安装在一个铝制散热器上，再用风扇对散热器进行吹风，这样，系统可以正常工作。

　　3.2 逆变模块

　　由于半桥逆变电路所用到的功率器件要少，投入少，而且控制相对简单的优点，因此本超声波清洗机采用半桥逆变电路。

　　在半桥逆变电路中，两个全控型开关器件 IGBT，即V1与V2和与其反向并联的二极管 VD1和VD2 构成半桥逆变，在 V1 和 V2上加以互补的信号，V1与V2两IGBT是轮流触发的，即各交替进行导通。

　　下图为半桥逆变电路的工作电压电流理论波形图：

　　在本超声波清洗机中，上下两个 IGBT 器件留有一定的死区时间，以防止两者同时导通。下图为逆变模块电路图：

　　3.3变压与线性稳压

　　220V50Hz交流电经变压器T2降压为12V，再经整流桥B2整流、C20滤波以及U1线性稳压后，输出12V直流电压，给PWM发生与控制模块供电。同时，直流12V再经U2二次稳压变为5V，为处理器IAP15F2K61S2工作提供电源。LED1发光二极管起电源指示作用。

　　3.4 PWM发生与控制模块以及驱动模块

　　在本超声波清洗机中以KA3525作为PWM发生与控制芯片。如下图7 所示,KA3525振荡频率的设定范围为20KHz～ 40kHz, 芯片的脚5 和脚7 间串联一个电阻Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。 KA3525的振荡频率可表示为：

　　3.5 功率调节模块模块

　　功率调节的实现原理：通过调节调功电阻改变3脚的电压大小，调功电阻3脚与IAP15F2K61S2单片机的一个AD口相连，通过模数转换获得AD数值。再根据此值控制双向可控硅S1过零延时触发，即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中，IAP15F2K61S2单片机的一个外部中断口，通过检测CALL1的过零脉冲获得工频电压的过零点。

　　3.6 频率扫描显示模块

　　由KA3525A产生的一路PWM波经限流电阻与输入单片机一个中断口，单片机检测中断信号在结合定时器计数器可运算出PWM波的频率，再通过四位共阳数码管显示输出频率。

　　3.7 调谐匹配与阻抗匹配模块

　　3.7.1 调谐匹配

　　超声波电源与换能器的匹配主要从两个方面考虑。一是调谐匹配，由于压电换能器存在静电抗，使得输出功率不能最大输出，因此，需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态，减少无功损耗，从而使得电源输出效率最高。二是阻抗匹配，若负载为纯电阻状态，则只有当实际负载和超声波电源的最佳输出阻抗相等时，电源才能够向负载输出最大功率，因此需要通过匹配使换能器的阻抗变换为超声波电源的最佳输出阻抗，从而使超声换能器获得最大的功率输出。

　　下图为换能器振子示意图与等效电路图：

　　其中，C0是压电陶瓷换能器的静态电容，主要是指换能器由夹持而产生的电容，它是一个真实的电学量;R0是压电换能器的介电损耗电阻，一般认为R0是无穷大的，所以通常可以忽略其影响;Ld、Cd、Rd分别为压电陶瓷换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。根据文献可知，当 Ld、Cd处于谐振状态时，串联支路为纯阻，串联支路谐振角频率为:

　　第四章 单片机程序设计

　　单片机程序总体流程图如下图：

　　程序部分主要包括：过零检测、调功电阻检测、PWM控制双向可控硅输出、频率显示。其中，外部中断0、定时器0用于调节功率;外部中断1、定时器1用于PWM发生与控制模块的频率显示。

　　第五章 总结

　　本文根据实际需求，以STC一款功能强大的单片机IAP15F2K61S2作为控制核心，提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案，进行了软件、硬件的设计和调试，保证其工作频率在20KHz～ 40kHz范围内连续可调，死区时间稳定，从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。为了提高电源输出效率，实现最大的功率输出，对超声波电源与换能器之间的匹配网络进行较深入的理论研究，确定了合理的调谐匹配及阻抗匹配方案，完成匹配网络设计。为了增强系统的可靠性，进行相关保护电路的设计。通过现场试验，本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。

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