基于超聲波的篩分系統電路設計

高同輝，李樹偉

（平頂山工業職業技術學院自動化與信息工程系，河南平頂山467001）

在選礦、冶金、制藥、化工、食品等生產中往往需要將各種原料進行精細篩分過濾，以進行下一步的加工或提高產品品質，這就需要用到篩分系統。超聲波篩分系統是功率超聲波技術的一個重要應用，由于其簡單、可靠且篩分過濾精度高，并且能有效解決強吸附性堵塞篩孔、噪聲污染大、篩分細度級別低等不足，成為當前解決堵塞網孔的最有效方法，必將會廣泛應用于精細篩分過濾的行業。

1 系統硬件設計

超聲波篩分系統工作原理：將超聲波換能器固定到一個易清洗的繃有篩網不銹鋼架上，在一定頻率的激勵脈沖作用下使超聲波換能器產生的超聲頻率信號，通過變換板傳到整個篩網上，同時傳到粉末微粒上，使微粒保持懸浮狀態，在細的不銹鋼絲上，固有的表面張力被切斷，使網絲變成無摩擦和沒有表面張力，從而達到高效篩分和消除堵塞網孔的問題，實現超微細粉篩分。

超聲波篩分系統硬件由超聲波電源、超聲波諧振電路、PWM波產生電路、脈寬調節與控制電路、數碼管顯示器、直流電源等6部分組成。超聲波篩分系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 超聲波篩分系統硬件設計框圖Fig.1 Hardware design diagram of ultrasound screening system

2 系統電路設計及元件參數選擇

超聲波篩分系統整體電路原理圖如圖2所示。

2.1 超聲波電源電路設計

由市電輸入220 V交流電壓，經由IN4007構成的整流橋和C1、C2濾波輸出300 V的直流電壓，送到開關變壓器Tr1的初級線圈并加到Q0（IGBT）的集電極，形成啟動電壓。由C3、R1、D2構成吸收回路，用于吸收尖峰脈沖。整個電源部分包括開關變壓器Tr1，相當于高頻開關電源[1]，其中整流橋的整流二極管可以選擇IN4007，低頻濾波電容選擇68 μF/400 V，高頻濾波電容選擇2.7 nF/1 000 V，D2選用快恢復二極管FR106，開關管選用FGA25N120。

圖2 超聲波篩分系統整體電路原理圖Fig.2 Overall circuit schematic diagram of ultrasound screening system

2.2 超聲波諧振電路設計

超聲波電源產生一個頻率、電壓、功率滿足超聲波換能器ZR1的高頻交流電源信號[2]。這里ZR1、L3構成串聯LC諧振電路，當選用功率為60 W、頻率為40 kHz的ZR1時，測量出超聲波換能器的電容值為5.2 nF。那么ZR1的容抗由XC=175 V，這里考慮到一定的余量取電壓值為200 V。輸出部分構成的串聯諧振電路應該滿足：諧振電感L3感抗等于ZR1容抗；變壓器開關電源變壓器次級線圈L2感抗等于ZR1容抗（或L3感抗），這樣才能滿足LC諧振要求及電源與負載內利用此電感值、電壓值、負載功率等確定開關電源變壓器Tr1次級線圈、初級線圈的線徑、電感量及匝數。

2.3 PWM波產生電路設計

本設計利用單片機STC12C2052AD[5]在第11腳（PWM0/P3.7）輸出一個周期為25 μS的PWM波，通過光電耦合器U2（A3120）的隔離、驅動、電平轉換后，作為開關電源開關管Q0的脈寬調制信號。此PWM波的占空比可以通過按鍵程序來實現，從而達到調整開關電源輸出電壓和功率的目的。其中單片機選擇具有PWM波輸出功能的STC12C2052AD；晶振選擇12 MHz。

2.4 脈寬調節與控制電路設計

利用單片機P1.0～P1.3口接4個按鍵K1～K4，分別是定義為運行、上調、下調、停止，用來對PWM波占空比的調整和設備啟停控制。按鍵接口通過10 k電阻上拉到5 V，以保證單片機正常工作時按鍵對應的I/O口保持高電平。

2.5 數碼管顯示電路設計

PWM波的通過串口與74HC164結合驅動4位一體共陽極數碼管實現。PWM波信號通過單片機串行數據發送端RxD加到串-并轉換芯片74HC164的數據輸入端，TxD串行數據接收端加到74HC164的時鐘端，通過4位共陽極數碼管實現數據的顯示。

2.6 直流電源設計

本設計中直流電源部分可以采用30 W的開關電源分別輸出+5、+15、+12 V，分別給單片機（含74HC164）、光電耦合器、散熱風扇供電。這里開關電源PWM控制器可采用UC3844，開關管采用IRFBC40，反饋基準電壓源采用TL431C。

3 系統程序設計

系統軟件主要是實現輸出一個周期為25 μs占空比可調的的PWM波，并通過按鍵實現設備啟停控制。系統程序設計流程圖[6]如圖3所示。

圖3 系統程序設計流程圖Fig.3 Flow chart of system programming design

4 產品調試

1）調試時先不接L3和ZR1，先接上假負載60 W的燈泡，測試超聲波電源部分是否正常，若正常再接上真負載調試，在滿載時超聲波兩端電壓200 V左右。

2）電路在工作時開關管、電源變壓器和諧振電感會產生一定的溫升，需要加散熱片和風扇降溫。

5 結束語

本設計經過單片機控制超聲波諧振電路的頻率和負載功率，在工廠實驗調試成功后，應用到藥物篩分機上取得了很好的篩分效果。

[1]（美）Sanjaya Maniktala著.精通開關電源設計[M].王志強等譯.王志強等譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[2]郭偉.超聲波檢測[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]袁縱橫，魏常偉.基于DDS的高功率超聲波電源的設計[J].電力電子技術，2010，44（11）：107-109.

YUAN Zong-heng，WEI Chang-wei.The design of high-power ultrasonic power supply based on DDS[J].Power Electronics Synopsis，2010，44（11）：107-109.

[4]程從密，蘇達根，何娟，等.功率超聲波應用與混凝土的研究[J].廣州大學學報：自然科學版，2009，8（1）：43-45.

CHENG Cong-mi，SU Da-gen，HE Juan，et al.Study on the application of high power ultrasound to concrete[J].Journal of Guangzhou University：Natural Science Edition，2009，8（1）：43-45.

[5]姚永平.STC12C2052AD系列單片機手冊[DB/OL].[2011-03-19]http：//www.mcu-memory.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C2052AD.pdf.

[6]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].2版.北京：清華大學出版社，2004.