基于ARM的太陽(yáng)能超聲波清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段晨杰 齊愛(ài)學(xué)

摘 ?要：設(shè)計(jì)制作了一款智能、低排、低耗的清洗機(jī)，由于本系統(tǒng)使用STM32控制產(chǎn)生特定頻率超聲波，這種超聲波空化所產(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物使他們分化于溶液中，從而完成清洗任務(wù)[1]。用超聲波空化能量代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，因此實(shí)現(xiàn)光能供電成為可能，可以在電網(wǎng)供電困難的環(huán)境使用[2];通過(guò)STM32對(duì)ADS1115高精度AD模塊獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算剩余電量智能化管理太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，為太陽(yáng)能電源管理[3];通過(guò)藍(lán)牙通信模塊與STM32串口連通拓展了清洗系統(tǒng)使用的可控性。

關(guān)鍵詞：可控超聲波;光能供電清洗;AD電量計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP11 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0043-03

Abstract： An intelligent， low-row， low-consumption cleaning machine is designed. Because the system uses STM32 to control the production of specific frequency ultrasound， the huge pressure generated by ultrasonic cavitation can destroy insoluble dirt and divide them into solutions. In order to complete the cleaning task. Replacing the traditional motor with ultrasonic cavitation energy has the advantages of high conversion rate and low energy consumption， so it is possible to realize light energy power supply. It can be used in the environment where power supply is difficult， and the solar power supply system can be intelligently managed by real-time calculation of the data obtained by ADS1115 high-precision AD module through STM32， for solar power management; Bluetooth communication module and STM32 serial communication are adopted to expand the controllability of the use of the cleaning system.

Keywords： controllable ultrasonic wave; light energy power supply cleaning; AD electric quantity calculation

目前市場(chǎng)上的清洗機(jī)絕大多數(shù)用的是大功率電機(jī)，清洗效率一般，用電成本較高，因此實(shí)現(xiàn)脫離電網(wǎng)供電較為困難。隨著技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)用日益擴(kuò)大，目前超聲波已廣泛地用于工業(yè)清洗，本設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。通過(guò)壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，在液體中產(chǎn)生超聲波振動(dòng)進(jìn)行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個(gè)清洗介質(zhì)振動(dòng)并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對(duì)任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗潔凈度非常高。這種新一代時(shí)尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來(lái)。本設(shè)計(jì)由于采用新型清潔方式，提高清洗工作的效率，省水節(jié)電，這讓太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的供電成為可能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)流程如圖1所示，用超聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)大功率電機(jī)，通過(guò)STM32控制驅(qū)動(dòng)器輸出特定頻率類型的超聲波，使槽內(nèi)液體中的氣泡在聲波的作用下迅速膨脹，然后忽然閉合，在氣泡閉合爆裂的瞬間周圍產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力，這種超聲波空化所產(chǎn)生的壓力能破壞不溶性污物使他們分化于溶液中，從而完成清洗任務(wù)。在這個(gè)過(guò)程水代替了清洗劑，免去用水去除清洗劑的過(guò)程，大大降低對(duì)環(huán)境的污染與水的使用量。超聲波功耗僅為100w，因此完全可用太陽(yáng)能供電，并用數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1115對(duì)清洗機(jī)的蓄電池進(jìn)行電量檢測(cè)，單片機(jī)計(jì)算出的剩余電量智能化管理電源，保護(hù)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng);清洗機(jī)由我們?cè)O(shè)計(jì)的Android App進(jìn)行控制，采用App遙控節(jié)省了對(duì)遙控器的開發(fā)成本以及生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染，該App能自動(dòng)檢測(cè)與清洗機(jī)連接出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)App，可以實(shí)現(xiàn)控制清洗機(jī)開關(guān)機(jī)，定時(shí)功能等功能。為防止App控制清洗機(jī)出現(xiàn)失效問(wèn)題，在清洗機(jī)面板上添加基于單片機(jī)的定時(shí)電路，使得該作品更加人性化與便捷。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)供電模塊電路設(shè)計(jì)

供電流程如圖2所示，采用單晶太陽(yáng)能發(fā)電板將獲得的直流電儲(chǔ)存到鉛蓄電池中，在鉛蓄電池與發(fā)電板之間加入二極管，構(gòu)成單向?qū)щ姌颍乐挂归g太陽(yáng)能板電流逆流損耗，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADS1115）獲取分壓電路電壓參數(shù)計(jì)算得蓄電池電壓數(shù)據(jù)，該檢裝置具有功耗低、體積小、可靠穩(wěn)定以及功能擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[4]，該數(shù)據(jù)通過(guò)I2C傳輸?shù)絊TM32控制器上根據(jù)電壓與電量關(guān)系公式分析計(jì)算出結(jié)果并通過(guò)串口將剩余電量呈現(xiàn)在電量顯示屏上，根據(jù)所得的剩余電量智能化管理電源：在電量過(guò)低達(dá)到5%以下時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)，當(dāng)充電電量達(dá)到60%以上時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)開機(jī)，由此形成窗口電源開關(guān)，防止電池在低電量狀態(tài)下重復(fù)損耗。超載時(shí)電量檢測(cè)到異狀令系統(tǒng)關(guān)閉以保護(hù)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

2.2 系統(tǒng)超聲波發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 超聲波發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波清洗系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成。超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)后，通過(guò)電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。

2.2.2 超聲波發(fā)生模塊參數(shù)設(shè)定

為了實(shí)現(xiàn)超聲波清洗的高效率，應(yīng)當(dāng)選擇最佳的聲強(qiáng)、頻率及清洗槽聲場(chǎng)分布等參數(shù)。工作頻率選在20-50kHz之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少，易于清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小、數(shù)量多，易于清洗精細(xì)且形狀復(fù)雜的物品[5]。本超聲波清洗機(jī)用于清洗較粗糙的生活用品，所以采用低頻25kHz。清洗液采用碳?xì)淝逑匆篬6]，碳?xì)淝逑匆壕哂幸韵绿攸c(diǎn)：清洗性能好，蒸發(fā)損失小，無(wú)毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價(jià)格便宜。

2.2.3 超聲波發(fā)生模塊的實(shí)現(xiàn)

超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電路方案。

首先利用STM32產(chǎn)生正弦號(hào)[7]：

STM32DAC初始化代碼如下所示：

/*DAC1通道2初始化*/

RCC->APB1ENR|=1<<29; ? //使能DAC時(shí)鐘

RCC->AHB1ENR|=1<<0; ? //使能PORTA時(shí)鐘

GPIO_Set（GPIOA，PIN5，GPIO_MODE_AIN，0，0，GPI

O_PUPD_PU）;//PA5，模擬輸入，下拉

DAC->CR|=1<<18; //使能觸發(fā)功能 TEN1=1

DAC->CR|=1<<17; //DAC1輸出緩存不使能

//BOFF1=1

DAC->CR|=5<<19; //DAC TIM4 TRGO，不過(guò)要

//TEN1=1才行

DAC->CR|=0<<22; //禁止生成波形

DAC->CR|=1<<28; //DAC1 通道2 DMA使能

DAC->CR|=1<<16; //使能DAC1 通道2

DAC->DHR12R2=0;

STM32DAC并不支持自動(dòng)生成正弦波，所以我們采用讀表法來(lái)生成，事先計(jì)算正弦波一個(gè)周期500個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DAC的值，將它存在一個(gè)數(shù)組中，還有一個(gè)步驟就是將數(shù)值讀入暫存數(shù)組：

u32 Idx;

/*讀入正弦波數(shù)據(jù)*/

for （Idx = 0; Idx < 500; Idx++）

{

DualSine12bit[Idx] = （Sine12bit2[Idx] << 16） + （Sine12bit2[Idx]）;

}

然后每次時(shí)鐘更新時(shí)使用DAC輸出電壓，當(dāng)然我們?yōu)榱颂岣咚俾什⑶医夥臗PU使正弦波生成獨(dú)立運(yùn)行。我們可以采用DMA的方式，DMA寄存器映射表如表1所示。

根據(jù)映射圖可知，與DAC1相連的DMA為DMA1通道7數(shù)據(jù)流5，并對(duì)寄存器進(jìn)行初始化配置。

接下來(lái)再配置定時(shí)器，筆者上面DAC中選擇了TIM4的TRGO時(shí)間觸發(fā)，所以我們要配置TIM4，最后使能DMA傳輸，所有的配置就完成了。

通過(guò)以上的配置PA5就能生成正弦波了，通過(guò)改變TIM4 的預(yù)分頻系數(shù)和預(yù)加載值就可以改變正弦波的頻率。

STM32 IO口由于驅(qū)動(dòng)能力有限，因此輸出的需要經(jīng)過(guò)低壓放大電路。低壓放大電路如圖4所示，為了避免兩只功放管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致內(nèi)部功耗增加，兩管的導(dǎo)通時(shí)間必須錯(cuò)開[8]，使它們?cè)诮惶婀ぷ鲿r(shí)有一段同時(shí)截止的時(shí)間。為此，三極管P1和P2對(duì)振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動(dòng)電路所用的電源是直流12V。

接下來(lái)是對(duì)超聲波電信號(hào)的高頻放大，超聲發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)很重要的內(nèi)容——調(diào)諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。只有在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常工作。高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路如圖5所示。

超聲波清洗機(jī)中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（通常只有一個(gè)匹配電感），卻具有重要作用。相同型號(hào)的清洗機(jī)，匹配調(diào)得好的清洗效果好;匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對(duì)同一臺(tái)機(jī)器而言，如果工作一段時(shí)間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過(guò)更換，都需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設(shè)備的匹配有所不同，超聲清洗機(jī)的匹配除了要解決變阻問(wèn)題（即變換負(fù)載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負(fù)載值相等）外，還要解決調(diào)諧問(wèn)題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。

2.3 系統(tǒng)無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，是通過(guò)串口藍(lán)牙模塊為STM32拓展了無(wú)線功能，在后期清洗機(jī)通過(guò)藍(lán)牙，可以連接到手機(jī)實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的固件升級(jí)，為清洗機(jī)的功能升級(jí)提供了硬件基礎(chǔ)保障;該App能夠自動(dòng)檢測(cè)與清洗機(jī)出現(xiàn)的異常，告知用戶該如何處理，實(shí)現(xiàn)傻瓜式操作;通過(guò)App也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗機(jī)的遙控功能，如控制清洗機(jī)開關(guān)機(jī)，定時(shí)功能等[9-10]，開發(fā)的App界面圖如圖6所示。

3 結(jié)論

由于耗水量相比于其他傳統(tǒng)清洗設(shè)備要少很多，而且清洗劑的使用量也大大減少，可以將其應(yīng)用在缺水的環(huán)境。從清洗衣物的角度上說(shuō)，該清洗設(shè)備通過(guò)換能器將超聲波發(fā)生器中的高頻振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，不但能夠?qū)⒁挛锴逑吹母痈蓛簦硗庾贤饩€也能對(duì)衣物進(jìn)行殺菌消毒，最重要的是所需的清洗劑也會(huì)大大減少，既符合國(guó)家對(duì)于綠色環(huán)保的要求，也迎合消費(fèi)者對(duì)物美價(jià)廉的期望。綜上所說(shuō)，如果將其推廣，應(yīng)該會(huì)有比較大的收益。

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