基于超声波的便携式洗衣机设计与实现*

黄晓林，陈润东

（广东松山职业技术学院电气工程系，广东韶关 512126）

0 引言

随着人民生活水平的日益提高以及环保意识的逐渐增强，节能环保型的绿色家用电器产品越来越受到人们的青睐，并且已经在人民日常生活的各个领域得到了广泛的应用。目前市场上销售的多为波轮式、滚筒式和两者结合而成的搅拌式机械洗衣机，这类传统的机械洗衣机不但功率大，用电成本较高，而且在清洗过程中对衣物的磨损率较大。针对这类传统机械洗衣机存在的缺陷，以及人民对洗衣机洗衣质量全面提高的期望，提出一种基于超声波的新型洗衣机设计。新型洗衣机与传统机械洗衣机相比，在外形结构和洗涤方式上都做了革命性的创新。新型洗衣机既节能又环保，它利用超声波的空化作用，清洗时不但对衣物的磨损率小，清洗衣物更加全面不留死角，清洗效果更好，洗净程度更有效［1］，而且在不用洗涤剂的情况下对清洗效果影响不大［2］。同时根据需要可产生适当的臭氧进行杀菌消毒，使清洗的衣物洁净度更高。外形结构上小巧便于携带，特别适合流动人群使用［3－5］。

1 超声波清洗衣物的工作原理

超声波是频率高于20 kHz的声波，超出人耳可以听到的声音频率范围。超声波也是种机械振动波，能在各种不同的弹性介质内有效传播。超声波在介质内传播是一种能量形式的传播，通过介质微粒往复振将能量由近至远地传播。利用超声波在介质中的能量传播原理即超声波空化效应能实现对衣物进行清洗，但需要一种能把超声波发生器发出的高频电磁振荡信号转换成相应频率的机械振荡装置，即超声波换能器。超声波换能器将以超声波频率的机械振荡将能量传播到清洗液中，使依附在衣物上的污垢层被逐渐剥离、脱落和分散，从而达到清洗衣物的目的［6－8］。

清洗液受到超声波频率的机械振动后，清洗液单位体积内产生相应高频又相互作用的减压力和压缩力。当清洗液单位体积内受到减压力作用时，使溶解于清洗液中的大量微气泡由于压强的降低而过饱和成为小气泡从清洗液中逸出，并将膨胀而产生成为较大的气泡，这就是超声波的空化效应。当清洗液单位体积内受到压缩力作用时，气泡被瞬时高压压破破裂，产生强大的冲击力不断冲击清洗衣物表面，使附着在衣物上的污垢被击碎剥离脱落。同时空化气泡增强了清洗液的渗透力，可使清洗液更加全面地渗入到清洗衣物内，而气泡则会不留死角全方位钻入清洗衣物的任何缝隙中进行振动，使洗净程度更高，清洗效果更好。同时超声波频率的机械振动还可促成清洗液体的乳化作用，使附着在清洗衣物表面上不溶于清洗液的油脂性污垢或被油污包裹的污渍微粒在空化气泡的作用下被迅速乳化，甚至在少用或不用洗涤剂的情况下也能自行脱落分散到清洗液中，清洗衣物既经济又环保［9－12］。

2 超声波清洗的关键参数设定

超声波洗衣机的超声波频率、声强和清洗液温度等关键参数对清洗衣物有着重要的影响，选择适当的参数值能更好地提升超声波洗衣机的性能和清洗衣物的效果。

超声波频率对空化作用影响较大，高频段超声波的空化作用气泡小、数量多，方向性强，能量集中，适合清洗精细且形状复杂的物品，而低频段超声波在液体中容易产生空化，空化作用时气泡大、数量少，力度大，适合较难清洗的粗糙物品。超声波洗衣机主要用于清洗较为粗糙的衣物等生活用品，根据实验选取超声波频率为38 kHz左右较为合适。在这种频率下，超声波空化时噪声较小，渗透作用较强，渗透得较为深入和彻底，可以渗透到被清洗衣物的任何细孔、狭缝内，使衣物洗得均匀干净。

超声波在介质中传播的过程就是机械振动能量传播的过程，在垂直于超声波传播方向的单位面积内承受的平均超声功率叫声强。超声波声强的大小将影响超声波的空化作用效果，声强越高则空化作用越强。为了提高超声波洗衣机清洗衣物的效率，往往采用较高的声强，但声强过高达到一定值后空化作用趋于饱和，空化气泡因剧烈脉动产生大量无用气泡，形成一道阻止能量传播屏障，使远离声源的液体空间声强反而变弱达不到衣物的均匀清洗。超声波洗衣机的声强应控制在2 W／cm2左右［13］。

3 系统硬件设计

本设计利用超声波空化作用代替传统机械洗衣机的搅拌对衣物进行清洗，不但清洗不留死角更全面，清洗程度更高，而且清洗时对衣物的磨损率小，同时更加注重清洗衣物时的安全性和节能环保。为便于携带和操作，缩减设备的体积，超声波洗衣机采用分体式设计，由主控制器和清洁器两个部分组成，系统结构框图如图1所示。

图1 超声波洗衣机系统结构框图

手持式主控制器放置在清洗液外面，以STC15W408AS单片机为控制核心，配置能设置洗衣要求和显示洗衣状态的触摸屏显示模块，负责根据需要控制超声波发生器产生超声波清洗衣物和臭氧发生器产生臭氧消毒衣物，在产生臭氧时启动微型风泵把臭氧吹入清洗液中加速溶解。为保证操作使用的安全，主控制器还要实时监控系统漏电检测。清洁器放置在洗涤液里面，主要由超声波换能器和水位及清洁检测模块组成。

3.1 超声波发生器电路设计

超声波发生器是功率较大的信号发生器，给超声波换能器一定频率的电磁振荡能量［14］。超声波发生器要与换能器相匹配使用，设计超声波发生器要充分考虑换能器的匹配阻抗、幅频和相频等特性，使超声换能器产生最有效的超声振动即发生共振，以最大限度保证换能器工作效率［15］。超声波发生器电路原理如图2所示，T3是一个高频变压器，主要作用是匹配输入输出电压和隔离输入输出。T4为一个有3个绕组的变压器，主要作用是反馈和换相，控制功率管Q1、Q2轮流导通，使超声波震荡器自激震荡输出一定频率的超声波作用于超声波换能器上，超声波的频率由换能器、T3的次级、L2、T4的初级和C17组成的电路确定。

图2 超声波发生器电路原理图

3.2 臭氧发生器电路设计

臭氧的化学性质特别活泼，具有很强的氧化性。臭氧分子溶于水后很容易与衣物上的细菌、有机物污物或油渍相结合而形成氧化物，破坏细菌、污物或油渍的分子结构，使之从衣物脱离。利用臭氧对衣物的杀菌消毒和清洗，不但衣物上不残留任何有毒物质，不会对环境形成二次污染，甚至可以不用清洗剂，有利于健康和保护环境。但臭氧分子极不稳定、易分解的特性决定其不能压缩装瓶后待用，只能边生成边使用。

臭氧产生电路往往使用一定频率的交变高压电制造高压电晕电场，使电场内或电场周围的氧气分子产生电晕放电，电晕中的自由高能电子分解形成的氧分子相互碰撞又合成臭氧分子，臭氧发生器电路原理如图3所示。交流电220 V电压经整流滤波，供给后面振荡电路使用。首先电阻R6和电容C8组成充电电路，当C8充电两端电压上升一定程度后，双向触发二极管T1导通，晶闸管Q1也就被触发导通；同时电容C8、双向触发二极管T1和电阻R17组成放电电路开始放电，C8两端的电压又开始下降，当C8两端的电压下降一定程度后，双向触发二极管T1截止，晶闸管Q1也截止，形成一次充放电循环。可控硅Q1导通时，储存在C10的电能，通过脉冲变压器T2的初级放电，次级绕组上产生脉冲高压，使臭氧发生片G1工作，产生臭氧。在Q1截止期间，由D2与R16向C10充电。

图3 臭氧发生器电路原理图

3.3 水位及清洁检测电路设计

图4 水位及清洁检测电路原理图

此电路是用来检测洗衣机内是否有足够容量的洗涤液，同时在洗涤衣物的过程中用来检测洗涤衣物清洁度，水位及清洁检测电路原理如图4所示。由J1与J3、J2与J3分别组成检测洗衣机内是否有洗涤液的检测组，洗衣机需要洗涤衣物开启时，洗衣机内有必须适量的洗涤液，当没有洗涤液时输入信号W1和W2都为高电平。把J1、J2放置在洗衣机容器的不同位置，就可以检测洗涤液的容量。污物融于洗涤液中浓度不同将导致洗涤液的导电率不同，在洗涤衣物的过程中通过AD转换测量W1或W2大小，能检测洗涤衣物的清洁度。

3.4 漏电测试及检测电路设计

设计方案不仅使衣物清洗程度更全面高效，而且更加重视使用过程中的安全性。因此漏电测试及检测电路的灵敏度和可靠性对使用者生命安全具有重要的保护作用。洗衣机通电启动系统后，可以用人工手动方式主动进行测试漏电检测功能，检验漏电检测电路是否能快速有效检测漏电。在正常运行过程中如果洗衣机万一不幸发生了漏电，漏电检测电路应能够立即检测到漏电并快速将漏电信息及时通知控制系统，使控制系统紧急采取安全性保护措施，紧急关闭洗衣部分的供电电源，同时发出警报进行警示，漏电测试及检测电路原理如图5所示。可以通过人工方式使TEST信号高电平有效后导致三极管Q4饱和导通，继电器LK1闭合主动漏电来测试漏电电路检测漏电的有效性。当检测电路检测到电路发生漏电时，通过INT0信号采用中断方式将漏电信息及时反馈到单片机中。漏电测试及检测电路的电阻R24为漏电检测灵敏度调节电阻，调节电阻R24的大小可以有效检测到漏电电流的大小。

图5 漏电测试及检测电路原理图

4 系统软件设计

本设计利用超声波的空化作用代替传统机械洗衣机的搅拌对衣物进行清洗，不但清洗不留死角更全面，清洗程度更高，而且清洗时对衣物的磨损率小，也更加重视减少环境污染和清洗衣物时的安全性。洗衣机通电启动系统后，可以通过人工方式主动漏电测试漏电检测电路的有效性，如漏电检测电路检测漏电无效，则发出声光警示，同时启动自动断电装置切断系统的供电电源。在清洗衣物之前，要先要判断清洗水位，只有清洗水位满足一定高度之后才能开启超声波发生器清洗衣物。每次开始清洗和快结束清洗时都需要对清洗液的浓度进行检测，清洗过程中这两个值每次检测都会变小，但变化会越来越慢，当趋于相对稳定时，基本可以判断衣物已经清洗干净。不需要每次洗涤都消毒，只在最后一次清洗需要杀菌消毒才开启臭氧发生器产生臭氧。开启产生臭氧之前，要先开启加强运送空气，加速臭氧在清洗液中的溶解，结束杀菌消毒时要先关闭臭氧发生器，再关闭微型风泵。图6所示为系统一次清洗衣物程序控制流程图。

图6 清洗衣物程序控制流程图

5 结束语

基于超声波的便携式洗衣机与传统机械洗衣机相比，在外形结构和洗涤方式上都做了革命性的创新。新型洗衣机既节能又环保，不但功耗小，噪声低，而且在降低衣物的磨损率、清洗效果、杀菌消毒和生态环保等方面有较大的技术优势，具有较强的实用性。随着人们对洗衣质量要求的提高和节能环保意识的增强，这种既节能又绿色环保的洗衣机，具有巨大的社会效益，是未来新型洗衣机发展的趋势。