基于ARM的太阳能超声波清洗系统设计

段晨杰 齐爱学

摘  要：设计制作了一款智能、低排、低耗的清洗机，由于本系统使用STM32控制产生特定频率超声波，这种超声波空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物使他们分化于溶液中，从而完成清洗任务[1]。用超声波空化能量代替传统电机，转化率高，能耗小，因此实现光能供电成为可能，可以在电网供电困难的环境使用[2];通过STM32对ADS1115高精度AD模块获得的数据实时计算剩余电量智能化管理太阳能供电系统，为太阳能电源管理[3];通过蓝牙通信模块与STM32串口连通拓展了清洗系统使用的可控性。

关键词：可控超声波;光能供电清洗;AD电量计算

中图分类号：TP11         文献标志码：A         文章编号：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

目前市場上的清洗机绝大多数用的是大功率电机，清洗效率一般，用电成本较高，因此实现脱离电网供电较为困难。随着技术的进步应用日益扩大，目前超声波已广泛地用于工业清洗，本设计的超声波清洗机主要应用于家庭中厨具和一些难洗的生活用具。通过压电陶瓷材料做成的超声波换能器将超声频电振荡转变成机械振动，在液体中产生超声波振动进行清洗。利用超声波可以穿透固体物质而使整个清洗介质振动并产生空化气泡，该清洗方式对任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗洁净度非常高。这种新一代时尚家电，能够使人们从繁琐的家务劳动中解脱出来。本设计由于采用新型清洁方式，提高清洗工作的效率，省水节电，这让太阳能实现清洗机的供电成为可能。

1 系统总体方案设计

本系统流程如图1所示，用超声波代替传统大功率电机，通过STM32控制驱动器输出特定频率类型的超声波，使槽内液体中的气泡在声波的作用下迅速膨胀，然后忽然闭合，在气泡闭合爆裂的瞬间周围产生较强的压力，这种超声波空化所产生的压力能破坏不溶性污物使他们分化于溶液中，从而完成清洗任务。在这个过程水代替了清洗剂，免去用水去除清洗剂的过程，大大降低对环境的污染与水的使用量。超声波功耗仅为100w，因此完全可用太阳能供电，并用数模转换器ADS1115对清洗机的蓄电池进行电量检测，单片机计算出的剩余电量智能化管理电源，保护了太阳能供电系统;清洗机由我们设计的Android App进行控制，采用App遥控节省了对遥控器的开发成本以及生产对环境的污染，该App能自动检测与清洗机连接出现的问题，通过App，可以实现控制清洗机开关机，定时功能等功能。为防止App控制清洗机出现失效问题，在清洗机面板上添加基于单片机的定时电路，使得该作品更加人性化与便捷。

2 系统的电路设计

2.1 系统供电模块电路设计

供电流程如图2所示，采用单晶太阳能发电板将获得的直流电储存到铅蓄电池中，在铅蓄电池与发电板之间加入二极管，构成单向导电桥，防止夜间太阳能板电流逆流损耗，通过数模转换器（ADS1115）获取分压电路电压参数计算得蓄电池电压数据，该检装置具有功耗低、体积小、可靠稳定以及功能扩展性好等特点[4]，该数据通过I2C传输到STM32控制器上根据电压与电量关系公式分析计算出结果并通过串口将剩余电量呈现在电量显示屏上，根据所得的剩余电量智能化管理电源：在电量过低达到5%以下时系统自动关机，当充电电量达到60%以上时系统自动开机，由此形成窗口电源开关，防止电池在低电量状态下重复损耗。超载时电量检测到异状令系统关闭以保护太阳能供电系统，延长蓄电池的使用寿命。

2.2 系统超声波发生模块设计

2.2.1 超声波发生模块结构设计

超声波清洗系统，结构设计如图3所示，主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成。超声波发生器将50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。

2.2.2 超声波发生模块参数设定

为了实现超声波清洗的高效率，应当选择最佳的声强、频率及清洗槽声场分布等参数。工作频率选在20-50kHz之间。低频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品。高频声波空化气泡小、数量多，易于清洗精细且形状复杂的物品[5]。本超声波清洗机用于清洗较粗糙的生活用品，所以采用低频25kHz。清洗液采用碳氢清洗液[6]，碳氢清洗液具有以下特点：清洗性能好，蒸发损失小，无毒，材料相容性好，不破坏环境，价格便宜。

2.2.3 超声波发生模块的实现

超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类，本设计采用数字电路方案。

首先利用STM32产生正弦号[7]：

STM32DAC初始化代码如下所示：

/*DAC1通道2初始化*/

RCC->APB1ENR|=1<<29;   //使能DAC时钟

RCC->AHB1ENR|=1<<0;   //使能PORTA时钟

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

O_PUPD_PU）;//PA5，模拟输入，下拉

DAC->CR|=1<<18; //使能触发功能 TEN1=1

DAC->CR|=1<<17; //DAC1输出缓存不使能

//BOFF1=1

DAC->CR|=5<<19; //DAC TIM4 TRGO，不过要

//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并不支持自动生成正弦波，所以我们采用读表法来生成，事先计算正弦波一个周期500个点对应的DAC的值，将它存在一个数组中，还有一个步骤就是将数值读入暂存数组：

u32 Idx;

/*读入正弦波数据*/

for （Idx = 0; Idx < 500; Idx++）

{

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

}

然后每次时钟更新时使用DAC输出电压，当然我们为了提高速率并且解放CPU使正弦波生成独立运行。我们可以采用DMA的方式，DMA寄存器映射表如表1所示。

根據映射图可知，与DAC1相连的DMA为DMA1通道7数据流5，并对寄存器进行初始化配置。

接下来再配置定时器，笔者上面DAC中选择了TIM4的TRGO时间触发，所以我们要配置TIM4，最后使能DMA传输，所有的配置就完成了。

通过以上的配置PA5就能生成正弦波了，通过改变TIM4 的预分频系数和预加载值就可以改变正弦波的频率。

STM32 IO口由于驱动能力有限，因此输出的需要经过低压放大电路。低压放大电路如图4所示，为了避免两只功放管同时导通，导致内部功耗增加，两管的导通时间必须错开[8]，使它们在交替工作时有一段同时截止的时间。为此，三极管P1和P2对振荡器的输出作反相处理，三极管选用PNP型的8550。低压驱动电路所用的电源是直流12V。

接下来是对超声波电信号的高频放大，超声发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容——调谐，即选用一定值的阻抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常工作。高频驱动和匹配电路如图5所示。

超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简单（通常只有一个匹配电感），却具有重要作用。相同型号的清洗机，匹配调得好的清洗效果好;匹配调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言，如果工作一段时间后清洗效果变差，或者换能器经过更换，都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹配有所不同，超声清洗机的匹配除了要解决变阻问题（即变换负载的阻值，使之与发生器的最佳负载值相等）外，还要解决调谐问题，即用匹配电感的感抗抵消换能器的容抗，使换能器呈纯阻性。

2.3 系统无线传输设计

无线传输的实现，是通过串口蓝牙模块为STM32拓展了无线功能，在后期清洗机通过蓝牙，可以连接到手机实现清洗机的固件升级，为清洗机的功能升级提供了硬件基础保障;该App能够自动检测与清洗机出现的异常，告知用户该如何处理，实现傻瓜式操作;通过App也可以实现对清洗机的遥控功能，如控制清洗机开关机，定时功能等[9-10]，开发的App界面图如图6所示。

3 结论

由于耗水量相比于其他传统清洗设备要少很多，而且清洗剂的使用量也大大减少，可以将其应用在缺水的环境。从清洗衣物的角度上说，该清洗设备通过换能器将超声波发生器中的高频振荡信号转化为高频机械振动，不但能够将衣物清洗的更加干净，另外紫外线也能对衣物进行杀菌消毒，最重要的是所需的清洗剂也会大大减少，既符合国家对于绿色环保的要求，也迎合消费者对物美价廉的期望。综上所说，如果将其推广，应该会有比较大的收益。

参考文献：

[1]面向再制造的超声清洗研究及应用[D].山东大学，2012.

[2]佚名.太阳能超声波洗衣机：CN203373563U[P].2014.

[3]何源，黄梦涛，王伟峰.基于STM32L151的便携式气体检测仪设计[J].电子产品世界，2018（1）.

[4]李长才，肖金球，华猛.基于ADS1115多通道低功耗环境参数检测系统设计[J].苏州科技大学学报（工程技术版），2017，30（3）：77-80.

[5]王成会，莫润阳，胡静.低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应[J].物理学报，2016，65（14）：145-152.

[6]张石磊.精密零件清洗工艺研究及设备研制[D].大连理工大学，2008.

[7]基于STM32的超声波除垢系统研究[D].杭州电子科技大学，2016.

[8]佚名.可使驱动电路微功耗化的功放管输入端短接电子开关装置：CN1090950[P].1994.

[9]基于Android系统蓝牙开发的研究与实现[J].光学仪器，2013，35（1）：34-36.

[10]张群，杨絮，张正言，等.蓝牙模块串口通信的设计与实现[J].实验室研究与探索，2012，31（3）：79-82.