基于STC單片機的超聲波清洗機

郝曉曦，馮志鵬，黃輝，周俊榮，崔衛國

（1.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

基于STC單片機的超聲波清洗機

郝曉曦1，馮志鵬2，黃輝2，周俊榮1，崔衛國1

（1.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

針對目前工業清洗問題，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、定時清洗的功能，以及清洗效率高、成本低、運行穩定的特點，達到節能環保的目的，應用前景廣闊。

超聲波清洗機；空化效應；半橋逆變；STC單片機；換能器

隨著超聲波技術的不斷發展，超聲波廣泛應用于檢測、清洗、焊接、醫療等領域，甚至在紡織、航空領域也能見到它的蹤跡[1-3]。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域，超聲清洗是功率超聲最為廣泛的應用之一。它通過換能器，將功率超聲的聲能轉換成機械振動，同時強超聲波在液體傳播時會產生“空化效應”。在空化氣泡突然閉合時發出的沖擊波可在其周圍產生上千個大氣壓力，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[4]，以清除物體表面的雜質、污垢或油膩。與其他清洗相比，超聲波清洗具有效率高、 能耗低、 清潔環保的特點，特別在清洗復雜零件、盲孔、狹縫多的物件時，更凸顯它的優勢。

在超聲波清洗機中，220 V50 Hz的市電輸入后分為兩路，一路用來產生大功率超聲波 ，另一路用來檢測、控制與顯示的供電作用，具體如圖1所示。其中，通過雙向可控硅可控制清洗機的功率。逆變模塊為半橋逆變，把直流電壓逆變為高頻交流電壓，再經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。

1 超聲波清洗機總體方案設計

圖1 超聲波清洗機原理框圖Fig.1 Block diagram of ultrasonic cleaning machine

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、PWM發生與控制、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保護模塊。

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交流電經整流橋B1整流以及電解電容C12濾波后產生直流輸出電壓。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。

圖2 整流濾波模塊Fig.2 Block of rectifier filter

在超聲波電源系統的工作過程中，整流濾波模塊與逆變模塊會發熱，可以將兩個模塊安裝在一個鋁片散熱器上，進行風冷散熱。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，而且控制相對簡單，因此本文設計的超聲波清洗機采用半橋逆變電路[5]。

圖3 半橋逆變模塊Fig.3 Block of half-bridge inverter

在半橋逆變電路中，兩個全控型開關器件為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，Q1與Q2兩IGBT是輪流觸發的，即各交替進行導通。同時，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2 uF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用于保護開關管Q1和Q2，防止電流過大。

變壓器T1和電阻R16、R17、R18、R19組成脈沖驅動模塊，為Q1和Q2提供互補的觸發信號。由于IGBT的驅動電壓應小于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 IGBT 器件留有一定的死區時間，以防止兩者同時導通。

2.3 變壓與線性穩壓

220 V50 Hz交流電經變壓器T4降壓為12 V，再經整流橋B4整流、C41濾波以及U1（L7812）線性穩壓后，輸出12 V直流電壓，給PWM發生與控制模塊供電。同時，直流12 V再經U2（L7805）二次穩壓變為5 V，為處理器IAP15F2K61S2工作提供電源。LED1發光二極管，起電源指示作用。為了減少電壓的脈動系數，加入了電容C43、C44多次濾波。

2.4 PWM發生與控制模塊以及驅動模塊

在本超聲波清洗機中，以KA3525A作為PWM發生與控制芯片。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間串聯一個電阻Rd就可以在較大范圍內調節死區時間。KA3525A的振蕩頻率可表示為[6-7]：

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R1和R2可以調節PWM輸出頻率。管腳8 接一個電容C51用來軟啟動，減少功率開關管的開機沖擊。11 和 14 腳輸出兩路互補的PWM波，經中功率的三極管Q1、Q2、Q3、Q4放大，再經脈沖驅動變壓器T1驅動兩個IGBT，控制逆變模塊實現半橋逆變（如圖3所示）。高頻變壓器T1起隔離強電與弱電的作用，增強了驅動能力和電源的可靠性。

圖4 降壓與線性穩壓Fig.4 Buck and Linear Regulator

圖5為PWM發生與控制模塊。

2.5 功率調節模塊

功率調節的實現原理：通過IAP15F2K61S2單片機的一個AD口檢測調功電阻上電壓大小，再通過模數轉換獲得AD數值。再根據此值控制雙向可控硅TR1過零延時觸發，即通過控制觸發脈沖的相位來控制輸出功率。其中，圖6為過零觸發原理圖，12 V交流電經二極管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限壓，再經三極管Q3檢測過零點。當電網電壓過零時，P3.3產生負脈沖。另外，IAP15F2K61S2單片機的P3.3口是一個外部中斷口，通過檢測過零脈沖獲得工頻電壓的過零點。

圖5 PWM發生與控制模塊Fig.5 Block of PWM generation and control

圖6 過零觸發原理圖Fig.6 The zero trigger schematic

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[8]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生的無功損耗，使壓電換能器輸出最大功率，需要通過匹配使換能器近似于純電阻狀態，提高超聲波電源輸出效率。另外，若完成了調諧匹配時，即負載為純電阻狀態時，為使電源輸出最大功率，需要令實際負載和電源的最佳輸出阻抗相等，而實現方法為：通過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電容，主要是由夾持而產生的電容，它是一個真實的電學量；Ro是壓電換能器的介電損耗電阻，一般認為Ro無窮大，通常忽略不計；Ld、Cd、Rd分別為壓電換能器的動態電感、動態電容和動態電阻。當Ld、Cd處于諧振時，串聯支路為純阻。在串聯電感調諧匹配作用下，超聲波電源的整個負載呈現出純電阻性。當電源的輸出電壓穩定時，阻性負載上得到的功率只和負載的阻值有關，因此，需要采用高頻變壓器來進行阻抗變換，從而使超聲波電源能夠以最大功率輸出。

圖7 調諧匹配與阻抗匹配Fig.7 Tuning matching and impedance matching

3 結束語

文中根據實際需求，以STC[9]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，死區時間穩定，從而使與超聲波電源與壓電換能器匹配后能夠產生大功率的超聲波。最后根據設計制作出了一款具有調功、調頻、定時功能的超聲波清洗機。通過現場試驗，本超聲波電源系統能夠長時間穩定地工作。

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Ultrasonic cleaning machine based on STC microcontroller

HAO Xiao-xi1，FENG Zhi-peng2，HUANG Hui2，ZHOU Jun-rong1，CUI Wei-guo1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China；2.College of Information Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

In order to solve the problem of industrial cleaning，an ultrasonic cleaning machine was designed based on STC microcontroller，This system adopted STC15F2 series as the control core，which contained power regulation，half-bridge inverter，PWM control module and so on.Besides，it made use of piezoelectric transducer matching，for the purpose of maximum power output.This ultrasonic cleaning machine has the function of adjustable frequency and power.Additionally，this system is efficient，cost-effective，stable，which meets the needs of environmental friendly with broad prospects.

ultrasonic cleaning machine；cavitation effect；half-bridge inverter；STC microcontroller；transducer

TN710

A

1674-6236（2014）11-0111-03

2014-03-07 稿件編號：201403068

廣東省大學生創新創業訓練計劃項目（1134913072）

郝曉曦（1981—），女，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：機械工程及自動化，機電產品設計。