農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘 要:超聲波檢測(cè)迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工農(nóng)業(yè)實(shí)用的要求。超聲波發(fā)生器就是利用超聲波的這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的。在此設(shè)計(jì)的農(nóng)用超聲波發(fā)生器可生成1.5~1.8 MHz頻率段的超聲波，該超聲波可用來(lái)殺滅水蚤。該超聲波發(fā)生器利用8051單片機(jī)生成2個(gè)連續(xù)信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路、倍頻電路、整波電路、和頻電路、選頻電路的相關(guān)處理后從發(fā)射端口發(fā)射出去。通過(guò)對(duì)信號(hào)檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié)果分析可知:發(fā)射信號(hào)能夠達(dá)到預(yù)定要求。本超聲波發(fā)生器具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便易、用途多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以在農(nóng)業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域普及使用。

關(guān)鍵詞:超聲波發(fā)生器; 8051單片機(jī); 農(nóng)業(yè); 信號(hào)檢測(cè)模塊

中圖分類(lèi)號(hào):TN98; TP217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0175-05

Design of Agricultural Ultrasonic Generator

QIN Yu-xia， YU Jian-ming， CHENG Yan， CUI Gen-qun

(College of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China)

Abstract:The ultrasonic wave is convenient， simple and easy to control real-timely in examination， which can reach the agriculture and industry practical requirement in the aspect of measuring accuracy. Ultrasonic generator can make a real-time processing on a target in the use of these advantages of the ultrasonic wave. The designed agricultural ultrasonic generator can generate 1.5~1.8 MHz ultrasonic wave， the ultrasound can be used to kill water fleas. The ultrasonic generator generates two consecutive signals in the use of 8051 single chip microcomputer， After the dispose of the driving circuit， frequency multiplier circuit， squaring circuit， sum frequency circuit and frequency selection circuit，the waves launch out from the launch port. After the analysis of the signal detection module， the transmit signals reach to the requirement. The ultrasonic generator has advantages of low cost， simple structure， easy operation， diversity of usage and others， it can be used widely in the agriculture and other fields.

Keywords:ultrasonic generator; 8051 single chip microcomputer; agriculture; signal detection module

自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展相伴相生，應(yīng)用十分廣泛[1-2]，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[3-4]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(mén)集成芯片);倍頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECG108三極管、104普通電容、11 257.9 nH自制電感、1kΩ電阻);整波電路設(shè)計(jì)(CD4069非門(mén)集成芯片);和頻電路設(shè)計(jì)(CD4081與門(mén)集成芯片);選頻電路設(shè)計(jì)(S9014或ECG108三極管、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(kāi)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)[5]。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[6]:用P3.2口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否，用P0.0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P0.0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(mén)，而后接入由4個(gè)非門(mén)并聯(lián)的電路，由于非門(mén)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)。

圖1 信號(hào)發(fā)生模塊圖示

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:

xC=1ωC=12πfC，xL=ωL=2πfL

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:

z=(r+jωL)#8226;(1/jωC)(r+jωL)+(1/jωC)=1jωC-[ 1/ωL] +(RC/L)

f0=12πLC

并聯(lián)諧振具有下列特征:

(1) 諧振時(shí)電路的阻抗摸為|Z0|=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=I0=U/(L/RC)=U/|Z0|。

(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|Z0|相當(dāng)于一個(gè)電阻。

(3) 諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為:IL=U/2πf0L;IC=U/(1/2πf0C)，可見(jiàn)IL=IC>I0，品質(zhì)因數(shù)Q=IL/I0。

(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)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

圖3 LC振蕩電路

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)，Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)镮c和Ib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Ube>0，Ubc<0。

(2) 截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時(shí)，Ic=Iceo。對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)Ube<0.5 V時(shí)，即已經(jīng)開(kāi)始截止，但是為了截止可靠，常使Ube<0。截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。

(3) 飽和區(qū)。當(dāng)Uce

LC選頻電路接在集電極電路中，通過(guò)的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(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f0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Rc)。因此，對(duì)f0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f0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:L1=L2=11 257.9nH;L3=112.58 nH。

圖4 5倍頻電路

由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在A1點(diǎn)或A2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A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0.15 MHz)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 倍頻電路仿真結(jié)果

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(mén)電路，非門(mén)主要是將輸入信號(hào)波整合成方波以便于后面與門(mén)對(duì)波的進(jìn)一步處理。只要工作電壓達(dá)到非門(mén)的開(kāi)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A3點(diǎn)或A4 點(diǎn)(0.15 MHz)經(jīng)由兩個(gè)非門(mén)后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 整波電路

圖7 整波電路仿真

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(mén)電路[4]，與門(mén)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(mén)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(mén)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[7-8]: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f0和f1=f0+Δ，其中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f1為待測(cè)頻率，設(shè)f1≥f0且1≤f1/f0<2(同理可證明f0≥f1且1≤f0/f1<2的情況)，Δmax=max{Δ}

b(t)=12+2πcos ω0t-13cos 3ω0t+15cos 5ω0t-…=12+2π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω0t

x(t)=12+2πcos ω1t-13cos 3ω1t+15cos 5ω1t-…=12+2π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω1t

ω0=2πf0，ω1=2πf1

b(t)#8226;x(t)=14+1π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω0t+1π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω1t+

4π2∑∞i=0(-1)i2i+1∑∞j=0(-1)j2j+1{cos[(2i+1)ω0+(2j+1)ω1]t+cos[(2i+1)ω0-(2j+1)ω1]t}

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(kāi)式為:

f(x)=a0/2+∑(anxcos nπx/l+bnxsin nπx/l)，x∈c

an=1/l∫f(x)cos nπx/ldx， n=0，1，2，…

bn=1/l∫f(x)sin nπx/ldx， n=1，2，…

c={x/f(x)=1/2[f(x-)+ f(x+)]}

當(dāng)f(x)為奇函數(shù)時(shí):

f(x)=∑bnxsin nπx/l(x∈c)

其中:

bn=2/l∫f(x)sin nπx/ldx， n=1，2，…

當(dāng)f(x)為偶函數(shù)時(shí):

f(x)=a0/2+∑anxcos nπx/l (x∈c)

其中:

an=2/l∫f(x)cos nπx/ldx， n=0，1，2，…

假設(shè)一個(gè)方波函數(shù):

f(x)= 0，-2

k，0

an=1/2∫kcos nπx/2dx=[k/nπsin nπx/2]=0

n≠0，a0=k

bn= 1/2∫(ksin nπx/2)dx=[(-k/n)πcos nπx/2]

= 2k/nπ， n=1，3，5，…

0， n=2，4，6，…

則:

f(x)=k/2+2k/π[ sin πx/2+(1/3)sin 3πx/2+

(1/5)sin 5πx/2+…]

假設(shè)有兩列波:

方波1可表示為:

sin ω1t+(1/3)sin 3ω1t+(1/5)sin 5ω1t+…

方波2可表示為:

sin ω2t+(1/3)sin 3ω2t+(1/5)sin 5ω2t+…

方波1乘以方波2就為ω1+ω2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(mén)后就變成0.3 MHz(0.15 MHz+0.15 MHz)的方波，如圖8所示。

由非門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在A5點(diǎn)(0.15 MHz)或A6點(diǎn)(0.15 MHz)經(jīng)由與門(mén)后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率為0.3 MHz的方波(即在A7點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 和頻電路

圖9 和頻電路仿真

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(mén)輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)(0.3 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 MHz，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 5倍選頻電路

圖11 5倍選頻電路仿真

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A1點(diǎn)或A2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A3點(diǎn)或A4點(diǎn)(0.15 MHz);經(jīng)由2個(gè)非門(mén)后(即在A5點(diǎn)或A6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波;由非門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門(mén)后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率相加的方波(0.3 MHz);由與門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在A7點(diǎn)經(jīng)過(guò)5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5MHz(A8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0.03 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[9]，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。

圖12 整體電路

圖13 整體電路仿真

圖14 信號(hào)檢測(cè)模塊

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