厨用超声清洗机分布式单元超声电路的设计
厨用超声清洗机分布式单元超声电路的设计[20191215142137]
摘 要
近年来，超声波清洗技术以其快捷方便，清洁彻底并且无污染的特点使其广泛应用于各个行业和人类的日常生活中。超声波清洗机的运用极大地提高了工作效率和清洗质量，以往清洗死角、盲孔和难以触及的藏污纳垢之处一直使人类备感头痛，超声波清洗机的出现使这一工作变得轻而易举。超声清洗机中一般需要多个超声换能器协同工作，多个换能器一般为并联方式被同一电信号驱动，但由于换能器本身细微的参数差异使其不能同时处在调谐状态，从而影响整体效能。
为有效解决这一问题，本课题采用集成脉冲宽度调制（PWM）超声信号源、全桥功放、小型阻抗匹配变压器和调谐电感等，设计并制作了分布式单元超声电路，探究在保持电路工作稳定的情况下，尽可能减小电路体积，提高分布式单元组装灵活性的优化方案，为研制高效的厨用超声清洗机了提供技术支持。
本文主要介绍了分布式单元超声电路，该电路主要是由信号发生电路，信号处理电路和功率放大电路，以及匹配电路组成，通过（单片机）MCU控制产生所需的电信号，经过信号处理模块处理，传送给功率放大模块，放大后的信号经过匹配电路匹配，使之与压电陶瓷晶片达到谐振，进而稳定地将电能转换为声能。分布式单元超声电路不仅能够提高超声波发生器的整体性能，整个阵列式系统的稳定性和使用寿命增强，更有便于局部的维修更换，使得维护成本减小，极大地节约了资源。由于分布式的结构，还可根据需要对换能器单元进行频率选择，使整体阵列达到多频率混合作用的效果，该结构为工业清洗、化学物质提取、超声医疗等工业场合的超声应用技术提供了参考。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声清洗；单个驱动；分布式结构
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2问题研究现状 1
1.3 本文主要工作和结构 2
第2章 系统方案 4
2.1 系统总体功能设计 4
2.2 功能模块方案的论证与设计 4
2.2.1 信号发生方案的选择论证 4
2.2.2 信号处理方案的选择论证 5
2.2.3 功率放大方案的选择论证计 6
2.2.4 匹配电路方案的选择论证 7
2.2.5 换能器的选择 8
2.3 本章小结 9
第3章 信号发生电路的设计 10
3.1 信号发生电路的需求分析与性能指标的确定 10
3.2 信号发生电路的设计 10
3.3 信号发生电路的调试 11
3.4 本章小结 12
第4章 信号处理电路的设计 13
4.1 信号处理电路的需求分析与性能指标的确定 13
4.2 信号处理电路的设计 14
4.3 信号处理电路的调试 14
4.4 本章小结 15
第5章 功率放大模块的设计 16
5.1 功率放大电路的需求分析与性能指标的确定 16
5.2 功率放大电路的设计 17
5.3 功率放大电路的调试 18
5.4 本章小结 19
第6章 匹配电路的设计 20
6.1 匹配电路的需求分析与性能指标的确定 20
6.2 匹配电路的设计 22
6.3 匹配电路的调试 22
6.4 本章小结 23
第7章 总结与展望 24
7.1 总结 24
7.2 展望 24
参考文献 26
致谢 28
附录A 实物图 29
附录B 电路图 30
附录C 外文翻译 31
第1章 绪论
1.1 课题背景
目前，超声波清洗机广泛应用于表面喷涂处理行业、机械行业、电子行业、医疗行业、半导体行业、钟表首饰行业、光学行业、纺织印染行业等多个领域。清洗机的清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致。清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠。对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净。对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工。超声波清洗方式超过常规的清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，象一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件、电子元器件、电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。目前在生活中厨用超声清洗机也得到了广泛的应用。目前，食品卫生是我们一直关注的热点问题，而食品表面残留农药如何清洗彻底也是一大难题。对于这一问题，厨用超声清洗机的出现，方便快捷，并且安全无污染，值得我们深入研究。
超声清洗技术目前已经发展成熟，超声波清洗的理论研究也更加深入和透彻，但是依然有很大的发展前景。超声果蔬清洗机主要由超声功率源、匹配网络和超声换能器三部分组成[1]。传统的超声清洗机采用一对多的驱动方式，在实际工作中，单个模块损坏，就影响整个系统的工作，而且后期维护很难，造成了资源的浪费。
1.2问题研究现状
目前，超声在应用可分为两大类, 一类是用较弱的超声来采集信息, 例如超声无损探伤及超声诊断(如B超);另一类是用较强的超声, 利用它的能量来改变材料的状态或性能,例如超声清洗, 超声粉碎固体等等, 这类应用需要产生大功率的超声, 我们简称为功率超声。功率超声在工业、农业、医药卫生和环境保护等国民经济各个部门以及国防工业中已得到广泛的应用[1]。目前我国功率超声发生器已研制出频率从十几kHz~ 几个MHz, 功率从几十W~ 几十kW, 应用在各类超声波设备上[2]。目前，超声清洗机已经逐渐进入市场，并且在不断的完善改进中。但是仍有很多问题亟待解决，比如应用的频率范围局限，产品的可靠性、稳定性不高，市场竞争力不够强，不能满足工业化、集约化的生产规模。目前有很多学者在致力于解决这些问题。
传统的超声清洗机采用的是一对多驱动的方式，而不同换能器由于各个参数的细微差异不能同时达到调谐状态，从而影响整体性能，并且很耗能。如何能够让每一个换能器同时工作在调谐状态，超声清洗机的整体性能达到最好是本文要解决的问题。所以本课题采用分布式超声电路，采用一对一驱动的方式，让每一个换能器都达到调谐状态，提高整体性能，便于后期维护，并且达到节能的目的。
1.3 本文主要工作和结构
在本人毕业设计阶段我完成的主要工作如下：
（1） 分析了超声清洗机的基本原理。
（2） 了解全桥式功率放大和半桥式功率放大原理
（3） 了解超声换能器的功能
（4） 设计了信号发生电路
（5） 设计了信号处理电路
（6） 设计了功率放大电路
（4） 掌握了调谐匹配的基本原理以及匹配电感的设计，实现了调谐匹配。
（5） 掌握了阻抗匹配的基本原理以及变压器的设计和绕制方法，实现了阻抗匹配。
论文的结构如下：
第一章主要分析了本课题的背景以及此问题的研究现状，提出了分布式超声电路，以及本课题解决此问题的根本方法和最终目的。
第二章是对超声清洗机分布式单元超声电路进行系统分析，将整个电路分为四个模块，分别为信号发生模块，信号处理模块，信号功率放大模块，匹配电路模块,并且各个模块进行选择论证和分析。
第三章是对信号发生电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。通过对主要芯片SG3525进行分析和整体需求，确定信号发生模块。
第四章是对信号处理电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。采用全桥式功率放大电路和隔离变压器对信号进行处理，以驱动后级放大器。
第五章是对功率放大电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。采用半桥式放大电路和电阻电容组成的RC电路，对信号放大后，使其经过匹配后能够以驱动换能器正常工作。
第六章是对匹配电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。分别对阻抗匹配和调谐匹配分析计算，完成对变压器的绕制和匹配电感的选择。
第七章总结了本文完成的主要工作，也针对现在课题中可以拓展的地方做了相关阐述，并且为超声波清洗技术的发展前景做出了展望。
第2章 系统方案
2.1 系统总体功能设计
本课题所涉及的超声波发生器分为MCU模块、信号处理模块、功率放大模块、匹配电路模块和压电陶瓷晶片阵列。信号发生器产生160kHz 的方波信号，其信号的电压值为38~650mV，不足以驱动换能器，要经过处理和功率放大器进行放大。信号经过功率放大后，产生功率足够大的激励信号，该信号经过匹配后，驱动换能器工作。
具体框图如图2-1所示。MCU模块产生所需频率的信号，为160KHZ的方波信号，还不能驱动后级放大器；信号处理模块将MCU模块输出的信号进行处理，主要经过前级放大、隔离，使信号不仅能够驱动后级放大电路，而且能不被后级信号干扰；功率放大模块采用半桥功放形式，实现对前级脉冲控制信号的放大，并且能够驱动换能器；匹配电路模块实现压电陶瓷晶片处于谐振状态，而且要保证功率源信号能够高效率的传送到换能器。正是因为分布式的结构，一对一驱动，可以保证各个换能器都能达到谐振状态，使超声清洗机的整体性能提高。
图2.1 系统总体功能实现框图
2.2 功能模块方案的论证与设计
2.2.1 信号发生方案的选择论证
方案一：利用8051单片机作为信号发生器
8051单片机具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将8051再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出及其接口、示波器及其输出等四部分，即可构成所需波形发生器。8051是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并通过lab2000键盘进行各种波形的转换和信号频率的调节[3]。8051是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并通过lab2000键盘进行各种波形的转换和信号频率的调节。
由8051产生初始信号，需要经过驱动电路，倍频电路，整波电路，和频电路，选频电路进行信号处理，才能达到超声波发生器所需要的信号。
因此，8051作为信号发生器时，仍然存在不足之处。产生高频波形时频率的精度下降，滤波电路过于简单，产生的波形干扰越大，后期信号处理相对复杂。
方案二：选用单片集成PWM 控制芯片SG3525 作为信号发生芯片。
目前超声波电源大多数采用专用集成控制芯片如 SG3525产生PWM脉冲信号，经功率放大、阻抗和调谐匹配后，推动换能器将电信号转换为机械振动，产生超声波。SG3525 主要由基准稳压源、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、锁存器、分相器、或非门电路和输出电路等几大部分组成。内置基准电压源，输出精度可达(5.1±l%)V，并设有温度补偿、软启动控制、限制最大输出占空比和过流保护功能。SG3525 的振荡器通过外接时基电容和电阻产生振荡。经误差放大器、PWM 比较器和非门电路处理后输出两路互差180°的PWM 信号至末级[4]。
经过对比分析，考虑到超声驱动信号的稳定性，超声信号产生器选用单片集成PWM 控制芯片SG3525 作为信号发生芯片由其组成的超声信号产生器可产生频率在100 Hz～500 kHz 的超声驱动信号，带载能力强，控制方便，输出稳定，符合设计要求。因此本文最终选取方案二，即SG3525作为信号发生器。
2.2.2 信号处理方案的选择论证
信号处理主要解决两个问题，一是信号驱动能力小；二是防止前级信号被后级干扰。抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法，考虑到实际操作的可行性超声清洗机的需求，采用隔离的方法更加合适。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法[5]。
摘 要
近年来，超声波清洗技术以其快捷方便，清洁彻底并且无污染的特点使其广泛应用于各个行业和人类的日常生活中。超声波清洗机的运用极大地提高了工作效率和清洗质量，以往清洗死角、盲孔和难以触及的藏污纳垢之处一直使人类备感头痛，超声波清洗机的出现使这一工作变得轻而易举。超声清洗机中一般需要多个超声换能器协同工作，多个换能器一般为并联方式被同一电信号驱动，但由于换能器本身细微的参数差异使其不能同时处在调谐状态，从而影响整体效能。
为有效解决这一问题，本课题采用集成脉冲宽度调制（PWM）超声信号源、全桥功放、小型阻抗匹配变压器和调谐电感等，设计并制作了分布式单元超声电路，探究在保持电路工作稳定的情况下，尽可能减小电路体积，提高分布式单元组装灵活性的优化方案，为研制高效的厨用超声清洗机了提供技术支持。
本文主要介绍了分布式单元超声电路，该电路主要是由信号发生电路，信号处理电路和功率放大电路，以及匹配电路组成，通过（单片机）MCU控制产生所需的电信号，经过信号处理模块处理，传送给功率放大模块，放大后的信号经过匹配电路匹配，使之与压电陶瓷晶片达到谐振，进而稳定地将电能转换为声能。分布式单元超声电路不仅能够提高超声波发生器的整体性能，整个阵列式系统的稳定性和使用寿命增强，更有便于局部的维修更换，使得维护成本减小，极大地节约了资源。由于分布式的结构，还可根据需要对换能器单元进行频率选择，使整体阵列达到多频率混合作用的效果，该结构为工业清洗、化学物质提取、超声医疗等工业场合的超声应用技术提供了参考。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声清洗；单个驱动；分布式结构
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2问题研究现状 1
1.3 本文主要工作和结构 2
第2章 系统方案 4
2.1 系统总体功能设计 4
2.2 功能模块方案的论证与设计 4
2.2.1 信号发生方案的选择论证 4
2.2.2 信号处理方案的选择论证 5
2.2.3 功率放大方案的选择论证计 6
2.2.4 匹配电路方案的选择论证 7
2.2.5 换能器的选择 8
2.3 本章小结 9
第3章 信号发生电路的设计 10
3.1 信号发生电路的需求分析与性能指标的确定 10
3.2 信号发生电路的设计 10
3.3 信号发生电路的调试 11
3.4 本章小结 12
第4章 信号处理电路的设计 13
4.1 信号处理电路的需求分析与性能指标的确定 13
4.2 信号处理电路的设计 14
4.3 信号处理电路的调试 14
4.4 本章小结 15
第5章 功率放大模块的设计 16
5.1 功率放大电路的需求分析与性能指标的确定 16
5.2 功率放大电路的设计 17
5.3 功率放大电路的调试 18
5.4 本章小结 19
第6章 匹配电路的设计 20
6.1 匹配电路的需求分析与性能指标的确定 20
6.2 匹配电路的设计 22
6.3 匹配电路的调试 22
6.4 本章小结 23
第7章 总结与展望 24
7.1 总结 24
7.2 展望 24
参考文献 26
致谢 28
附录A 实物图 29
附录B 电路图 30
附录C 外文翻译 31
第1章 绪论
1.1 课题背景
目前，超声波清洗机广泛应用于表面喷涂处理行业、机械行业、电子行业、医疗行业、半导体行业、钟表首饰行业、光学行业、纺织印染行业等多个领域。清洗机的清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致。清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠。对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净。对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工。超声波清洗方式超过常规的清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，象一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件、电子元器件、电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。目前在生活中厨用超声清洗机也得到了广泛的应用。目前，食品卫生是我们一直关注的热点问题，而食品表面残留农药如何清洗彻底也是一大难题。对于这一问题，厨用超声清洗机的出现，方便快捷，并且安全无污染，值得我们深入研究。
超声清洗技术目前已经发展成熟，超声波清洗的理论研究也更加深入和透彻，但是依然有很大的发展前景。超声果蔬清洗机主要由超声功率源、匹配网络和超声换能器三部分组成[1]。传统的超声清洗机采用一对多的驱动方式，在实际工作中，单个模块损坏，就影响整个系统的工作，而且后期维护很难，造成了资源的浪费。
1.2问题研究现状
目前，超声在应用可分为两大类, 一类是用较弱的超声来采集信息, 例如超声无损探伤及超声诊断(如B超);另一类是用较强的超声, 利用它的能量来改变材料的状态或性能,例如超声清洗, 超声粉碎固体等等, 这类应用需要产生大功率的超声, 我们简称为功率超声。功率超声在工业、农业、医药卫生和环境保护等国民经济各个部门以及国防工业中已得到广泛的应用[1]。目前我国功率超声发生器已研制出频率从十几kHz~ 几个MHz, 功率从几十W~ 几十kW, 应用在各类超声波设备上[2]。目前，超声清洗机已经逐渐进入市场，并且在不断的完善改进中。但是仍有很多问题亟待解决，比如应用的频率范围局限，产品的可靠性、稳定性不高，市场竞争力不够强，不能满足工业化、集约化的生产规模。目前有很多学者在致力于解决这些问题。
传统的超声清洗机采用的是一对多驱动的方式，而不同换能器由于各个参数的细微差异不能同时达到调谐状态，从而影响整体性能，并且很耗能。如何能够让每一个换能器同时工作在调谐状态，超声清洗机的整体性能达到最好是本文要解决的问题。所以本课题采用分布式超声电路，采用一对一驱动的方式，让每一个换能器都达到调谐状态，提高整体性能，便于后期维护，并且达到节能的目的。
1.3 本文主要工作和结构
在本人毕业设计阶段我完成的主要工作如下：
（1） 分析了超声清洗机的基本原理。
（2） 了解全桥式功率放大和半桥式功率放大原理
（3） 了解超声换能器的功能
（4） 设计了信号发生电路
（5） 设计了信号处理电路
（6） 设计了功率放大电路
（4） 掌握了调谐匹配的基本原理以及匹配电感的设计，实现了调谐匹配。
（5） 掌握了阻抗匹配的基本原理以及变压器的设计和绕制方法，实现了阻抗匹配。
论文的结构如下：
第一章主要分析了本课题的背景以及此问题的研究现状，提出了分布式超声电路，以及本课题解决此问题的根本方法和最终目的。
第二章是对超声清洗机分布式单元超声电路进行系统分析，将整个电路分为四个模块，分别为信号发生模块，信号处理模块，信号功率放大模块，匹配电路模块,并且各个模块进行选择论证和分析。
第三章是对信号发生电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。通过对主要芯片SG3525进行分析和整体需求，确定信号发生模块。
第四章是对信号处理电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。采用全桥式功率放大电路和隔离变压器对信号进行处理，以驱动后级放大器。
第五章是对功率放大电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。采用半桥式放大电路和电阻电容组成的RC电路，对信号放大后，使其经过匹配后能够以驱动换能器正常工作。
第六章是对匹配电路的需求分析和性能指标的确定，硬件设计以及调试。分别对阻抗匹配和调谐匹配分析计算，完成对变压器的绕制和匹配电感的选择。
第七章总结了本文完成的主要工作，也针对现在课题中可以拓展的地方做了相关阐述，并且为超声波清洗技术的发展前景做出了展望。
第2章 系统方案
2.1 系统总体功能设计
本课题所涉及的超声波发生器分为MCU模块、信号处理模块、功率放大模块、匹配电路模块和压电陶瓷晶片阵列。信号发生器产生160kHz 的方波信号，其信号的电压值为38~650mV，不足以驱动换能器，要经过处理和功率放大器进行放大。信号经过功率放大后，产生功率足够大的激励信号，该信号经过匹配后，驱动换能器工作。
具体框图如图2-1所示。MCU模块产生所需频率的信号，为160KHZ的方波信号，还不能驱动后级放大器；信号处理模块将MCU模块输出的信号进行处理，主要经过前级放大、隔离，使信号不仅能够驱动后级放大电路，而且能不被后级信号干扰；功率放大模块采用半桥功放形式，实现对前级脉冲控制信号的放大，并且能够驱动换能器；匹配电路模块实现压电陶瓷晶片处于谐振状态，而且要保证功率源信号能够高效率的传送到换能器。正是因为分布式的结构，一对一驱动，可以保证各个换能器都能达到谐振状态，使超声清洗机的整体性能提高。
图2.1 系统总体功能实现框图
2.2 功能模块方案的论证与设计
2.2.1 信号发生方案的选择论证
方案一：利用8051单片机作为信号发生器
8051单片机具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将8051再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出及其接口、示波器及其输出等四部分，即可构成所需波形发生器。8051是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并通过lab2000键盘进行各种波形的转换和信号频率的调节[3]。8051是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并通过lab2000键盘进行各种波形的转换和信号频率的调节。
由8051产生初始信号，需要经过驱动电路，倍频电路，整波电路，和频电路，选频电路进行信号处理，才能达到超声波发生器所需要的信号。
因此，8051作为信号发生器时，仍然存在不足之处。产生高频波形时频率的精度下降，滤波电路过于简单，产生的波形干扰越大，后期信号处理相对复杂。
方案二：选用单片集成PWM 控制芯片SG3525 作为信号发生芯片。
目前超声波电源大多数采用专用集成控制芯片如 SG3525产生PWM脉冲信号，经功率放大、阻抗和调谐匹配后，推动换能器将电信号转换为机械振动，产生超声波。SG3525 主要由基准稳压源、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、锁存器、分相器、或非门电路和输出电路等几大部分组成。内置基准电压源，输出精度可达(5.1±l%)V，并设有温度补偿、软启动控制、限制最大输出占空比和过流保护功能。SG3525 的振荡器通过外接时基电容和电阻产生振荡。经误差放大器、PWM 比较器和非门电路处理后输出两路互差180°的PWM 信号至末级[4]。
经过对比分析，考虑到超声驱动信号的稳定性，超声信号产生器选用单片集成PWM 控制芯片SG3525 作为信号发生芯片由其组成的超声信号产生器可产生频率在100 Hz～500 kHz 的超声驱动信号，带载能力强，控制方便，输出稳定，符合设计要求。因此本文最终选取方案二，即SG3525作为信号发生器。
2.2.2 信号处理方案的选择论证
信号处理主要解决两个问题，一是信号驱动能力小；二是防止前级信号被后级干扰。抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法，考虑到实际操作的可行性超声清洗机的需求，采用隔离的方法更加合适。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法[5]。
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