基于AT89C51单片机的超声波清洗仪的研制

胡宇军，丁金华，荣强强

(大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连　116034)

0　引言

超声波因具有方向性好，穿透能力强，能使物质产生明显的声压作用等特点而广泛应用于医疗、制药、化工等行业。超声波清洗具有清洗效率高、成本低，容易实现控制自动化等特点。在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，选用超声波清洗可以达到用其他处理方法难以达到的效果。在某些场合中(如核工业)，可以利用超声波清洗设备实现自动化清洗，避免了对工人的伤害。超声波清洗作为一项实用性很强的技术，被广泛应用于电子、机电等行业。

超声波清洗仪在使用过程中出现的液面高度变化、电路发热等现象会造成谐振频率漂移、振幅下降甚至停止振荡，严重影响清洗仪的清洗效果。锁相技术的提出，使频率自动跟踪成为可能，但是由于锁相频率范围小，换能器也会出现失调现象。为此设计了一种以单片机作为主控器的具有频率自动跟踪功能的超声波清洗仪。

1　超声波清洗原理与结构设计

超声波清洗主要利用超声波在液体中的空化作用去除被清洗物表面的污垢。空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。清洗前期空化作用使液体局部产生剧烈冲击，冲击力会破坏黏着物与被清洗物表面的粘着力；清洗中期空化气泡在污垢与物体的表面产生，空化气泡附近的压力可以达到上千atm(1 atm=101.325 kPa)，气泡溃灭时，产生的冲击效果能把污染物颗粒打碎，加快了污染物在清洗液中的溶解速度；清洗后期污垢会完全从物体表面脱离，从而达到精密清洗的目的。

超声波清洗机主要由超声波发生器、换能器、清洗槽、加热器、温度控制器、搅拌器等部分组成。将换能器做成喇叭型可使波形辐射范围较大，效率更高，提高了能量利用率。为了减少声超声波在传递过程中的能量损失，清洗槽与换能器粘结的部分壁厚选为2 mm，清洗槽采用316不锈钢制成，清洗槽内壁与清洗液接触的表面要进行抛光处理，降低空化腐蚀作用。

2　系统硬件设计

换能器控制的关键是实现频率的跟踪，目前市场上的超声波发生器多采用简单人工手动调节输出信号频率来跟踪换能器的谐振频率，但是手动调节精度不高，操作不可靠。为此，设计了一个基于AD9850的频率自动跟踪电路。系统由DDS信号产生电路、驱动电路、逆变电路、匹配电路、信号反馈电路、单片机控制电路及一些外围电路组成。

系统框图如图1所示，单片机控制AD9850的频率输出，从AD9850输出的信号经过驱动电路、逆变电路、匹配电路后驱动超声波换能器，超声波换能器将电信号转换为机械振动能，并将其传递给清洗液，完成清洗功能。在换能器工作期间及时将负载端反馈信号传给单片机，单片机根据负载端电压电流的相位情况，改变输入AD9850的控制字，AD9850根据输入的控制字更改频率和相位输出，使换能器保持在谐振工作状态，保证了换能器输出功率的效率。

图1　系统框图

2．1信号产生电路设计

DDS芯片完成频率信号的产生。DDS芯片的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。该设计选用DDS芯片AD9850，它内部含有1个相位累加器(32位)、1个正弦查询表(14位)、1个D/A转换器(10位)和1个高速比较器。AD9850最高时钟为125 MHz，可产生最大62.5 MHz的正弦波信号和标准方波信号。

单片机AT89C51用于控制AD9850的输出频率。单片机根据负载端电压和电流的相位关系改变输入控制字，单片机P1口与芯片AD9850的8个数据口相连，40位控制字在单片机的RXD与TXD引脚控制下通过P1口输入到AD9850中，芯片AD9850的IOUT和IOUTB引脚便得到了2路互补的PWM信号。

2．2逆变电路及驱动电路的设计

IGBT是结合了BJT“大功率三极管”和MOSFET“场效应管”的特性，混合发展出的一种新元件[1]。它不但兼有MOSFET易驱动、功率晶体管高电压、大电流、工作频率高的优点，而且还具有输出功率大、耐压高的优点，成为设计超声波发生器逆变电路的最佳选择。设计时，IGBT选用CT15SM-24晶体管。

以IGBT作为主功率开关器件的单相全桥逆变电路如图2所示，功率开关管Q1和Q4构成一对桥臂，开关动作一致；Q2和Q3构成另一对桥臂，开关动作一致。T1与T4，T2与T3的驱动信号需要互补，即当Q1和Q4有(无)驱动信号时，Q2和Q3无(有)驱动信号。二极管D1～D4在晶体管关断时起到续流作用。

图2　单相全桥逆变电路图

由控制电路产生的PWM脉冲信号不能直接驱动IGBT管，需要驱动电路将PWM信号进行隔离和放大，以保证IGBT的正常工作[2]，依据全桥逆变电路驱动电路的设计原则[3]，以IR2110芯片为核心的驱动电路的设计如图3所示，当HIN=1、LIN=1时，HO=0，LO=0，晶体管导通，反之，晶体管关闭。为了电路图的简洁，只附上了与Q1、Q3相连接的驱动电路图。

图3　IR2110驱动电路图

IR2110芯片的驱动能力强、响应速度快、抗干扰能力好、内设欠压封锁、易于调试，且与市场主流控制芯片兼容性良好，硬件投资低。虽然IR2110芯片给设计和应用提供了很多便利，但如果自举元器件选取不当会造成HO/LO端没有信号输出，所以应根据设计的具体电路图来选取自举电容和二极管等元器件。

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图3中，C9是自举电容，+15 V电压经C9、D8、Q3给C9充电，当Q3关闭、Q1开通时，C9有足够的能量来驱动Q1管的栅极。如果C9电容过小，当负载阻抗较大时，C9上的电压将达不到自举电压，输出信号将被逻辑封锁，Q1将不工作。逆变电路的输出频率、占空比等因素也影响到自举电容的选取，逆变电路输出频率和占空比较大而选取C9过大时，C9不会很快达到自举电压甚至达不到自举电压。设计中取C9的值为0.15 μF时可满足要求。

D8是自举二极管，当IGBT导通时，它可以避免主电路中的高压电流窜入芯片电源端而烧毁IR2100芯片。自举二极管的反向工作电压应高于IGBT的最大工作电压，并且具有快速恢复的特性，所以自举二极管选用耐压值为1 kV的快速恢复二极管FR107。FR107具有很低的反向漏电流特点，可以减少电荷损失。D7是快速恢复二极管，作用是防止功率开关管在导通时，电路高压流入芯片而烧毁芯片。快速恢复二极管D9、D11与电阻R9、R11配合使用，当功率开关管由导通状态到截止状态变化时可实现了电荷的快速释放，同时限制释放电流，保护芯片免受损坏。D10、D12为稳压二极管，它的作用是限制栅极驱动电压，将其固定在15 V左右，它与分压电阻R13、R14配合使用，完成对IGBT驱动电压的限制和保护。

IR2110具有一定的死区时间，其大小为10 ns且不可外调[4]。自举电阻R10、R11可保护功率管在电流斜率过大时免受损坏，IGBT的驱动栅极上串联R10、R12和二极管D9、D11，可以实现功率管延时打开、迅速关闭的功能，提高了电路的安全性能。IR2110的驱动脉冲上升沿的斜率受R10、R12的影响，阻值过大会造成驱动脉冲的上升沿斜率下降，过小容易造成IR2110过流损坏。根据IR2110芯片的最大传输延时时间可求出RC的取值范围，进而得出R10、R12的取值范围，设计中R10、R12可取值50 Ω．

2．3匹配电路设计

换能器的静电抗特性造成它在工作频率上输出电压和电流存在相位差，不能实现最大功率输出。需要匹配电路使发生器和换能器阻抗相匹配，匹配效果的好坏直接影响超声波发生器和换能器的效率。

换能器工作时的电抗特性为容性，一般通过将电感与之并联或串联的方法使其等效为纯电阻，这就是换能器的调谐匹配过程。若采用并联匹配方式，并联电感没有滤波作用，且电路谐振时的纯电阻值不变。若选用串联匹配，输出负载的电阻减小，并且电感有滤波作用，电路具有阻抗变换作用，所以选用串联匹配形式，考虑设计余量，选用0.25 mH的匹配电感。

2．4频率自动跟踪电路设计

超声波清洗机在实际工作环境中出现的谐振频率漂移会极大影响清洗仪的清洗效率[5]，为此设计了超声波清洗仪频率自动跟踪系统，采用相位控制方法使超声波发生器的输出频率能对工作中变化的超声波换能器的谐振频率进行跟踪。

图4　相位检测电路

传感器获得电压(电流)信号，首先经过由LM339组成的过零比较电路后变成方波信号，然后经电阻分压后获得幅值为5 V的方波信号，这两路信号输入CD4013触发器的D端(电流)和CLK端(电压)，这样每个电压脉冲采样D端信号送给单片机。若是电流和电压存在相位差，当Q输出为高电平时，说明电流相位超前；当Q输出为低电平时，说明电流相位滞后。相位鉴定结果被送入单片机的引脚，单片机根据引脚的电平高低来对频率进行调整。当读取到低电平时，说明当前频率高于谐振频率，反之，当前频率低于谐振频率。单片机根据相位情况，改变AD9850的控制字，调整输出频率，使换能器保持在谐振工作状态。

3　系统软件设计

系统主程序流程图如图5所示，频率合成与自动跟踪子程序流程图如图6所示。

图5　主程序流程图

图6　频率合成与自动跟踪子程序流程图

4　结束语

系统由单片机实现了智能化控制，采用数字频率合成技术及相位控制方法实现了频率合成与自动跟踪。该超声波清洗仪具有频率控制精度高，输出功率稳定，控制方便等优点，应用前景广阔。

参考文献：

[1]崔海娟，赵海明．超声波大功率清洗机．声学技术，2007，26(6)：1161- 1163．

[2]熊敬清，蒙万俊，陈小锋，等．有限双极性软开关PWM控制和IGBT 驱动电路设计．电焊机，2008，38(12)：73-76．

[3]何凤有，谭国俊，胡雪峰，等．IGBT模块的驱动和保护技术．电气开关，2003，41(4)：41-42．

[4]周敛荣，潘美珍．高压悬浮驱动电路IR2110的特点及拓展应用技术．电子元器件应用，2009，11(4)：30-35．

[5]陈振伟．超声波发生器的研究：[学位论文]．杭州：浙江大学，2007．

[6]邹阳．超声波清洗机频率自动跟踪系统的设计．郑州轻工业学院学报：(自然科学版)，2008，23(5)：108-110．