淺談基于單片機的超聲波清洗機的系統硬件設計

超聲波清洗機換能器將超聲波電能轉換為高頻機械振動，是該機的關鍵設備，在此選用壓電式超聲波清潔換能器，其功率為60W，頻率為33kHz。

33 kHz的高頻信號由 SPCE061A單片機的APWMO口輸出，單片機依據從超聲波清洗機換能器得到的反應信號進行歸納分析以進行頻率調制，完成頻率主動盯梢。功率調理經過改動 PWM 信號的脈沖寬度來完成。從單片機輸出的高頻信號經半橋功放，經過輸出變壓器、電感、電容構成的匹配網絡驅動超聲波換能器宣布超聲波。

超聲波清洗機控制電路的核心部件為 SPCE061A 單片機，其外圍電路包含鍵盤電路、守時時刻及參數顯現電路、高頻信號輸出、反應信號輸入等。頻率主動盯梢由單片機完成，判別頻率是不是同步的標準是換能器負載回路的電流和電壓是不是同相，即換能器振動回路是不是處于諧振點。

為削減體系的復雜性并進步體系的穩定性，在此選用電壓最大值法完成頻率盯梢。超聲波清洗機電壓最大值法原理是：換能器負載回路選用串聯諧振電路，當阻抗匹配和調諧匹配共同時，電路出現諧振狀況，換能器上的電壓達到最大值。

依據這一原理，體系上電時，SPCE061A的APWMO輸出30～35 kHz的高頻信號，一起檢查對應的負載回路電壓，以電壓最大值時的頻率為所需頻率。在體系運行時，可經過檢查電壓的改變來調理輸出頻率，然后完成頻率盯梢。圖中“CHK”為電壓檢查反應信號，接入SPCE061A的IOA0(LIN-IN0)引腳。圖中“PWM”為SPCE061A輸出的高頻信號，由SPCE061A的IOB8(APWMO)引腳輸出，輸出信號的頻率及占空比經進程序完成[9]。SPCE061A輸出的PWM信號不能直接驅動超聲波換能器，有必要經過功率擴大才干驅動換能器。體系驅動電路如圖3所示。

由SPCE061A輸出的高頻脈沖信號，經高頻變壓器T1的擴大發生兩個反相的方波鼓勵信號，該信號經穩壓限幅后別離接到場效應管Q1、Q2的門極。正半周時，當Q1的門極驅動脈沖為高電平時，Q2的門極驅動脈沖必為低電平，則Q1飽滿導通，Q2截止，電源電壓經過Q1加到Q2的漏極上，然后經過C3、變壓器 2的原邊繞組、C2到地，構成C2充電回路。C1經過Q1、C3、變壓器原邊繞組放電，這么在變壓器T2的副邊感應一個正半周的脈沖電壓。負半周時，Q2飽滿導通，Q1截止，電源電壓經過C1、變壓器T2原邊繞組、C3、Q2到地，構成 C1充電回路。C2經過變壓器T2原邊繞組、C3、Q2放電，這么在變壓器 T2的副邊感應一個負半周的脈沖電壓，然后構成一個與SPCE061A的APWMO口輸出信號頻率共同的擴大了的高頻脈沖。

超聲波清洗機換能器要高效作業，有必要使超聲波發生器與換能器的阻抗相匹配，否則將致使超聲波發生器與換能器功能的下降，嚴峻的乃至損壞器材。超聲波發生器與換能器的匹配包含兩個方面，一是阻抗匹配，另一個調諧匹配。

阻抗匹配是因為超聲波電源需求一個最好負載才干輸出額外功率，這么經過阻抗匹配使超聲波換能器的阻抗變換為最好負載，超聲波電源才干向超聲波換能器輸出額外的電功率。超聲波電源輸出的功率大小首要取決于等效負載阻抗。

這篇文章的半橋功率擴大器其變壓器原邊等效負載阻抗RL′上的輸出功率表達式為：

因為超聲波清洗機換能器有靜電容C0，在必定作業頻率下，換能器上電壓V與電流I間存在一個相位角φ，其輸出功率P=VIcos準。因為相位角φ的存在，使超聲波換能器得不到希望的最大輸出功率，使超聲波電源輸出功率下降。調諧匹配使超聲波換能器兩端的電壓和電流同相，然后使功率最高。

匹配調諧電路的意圖是用來改進電發生器和超聲波換能器之間的耦合進程，以便使電發生器輸出的功率高功率地傳輸給換能器。

調諧匹配一般選用串聯電感或并聯電感兩種辦法。關于開關型超聲電源來說，串聯匹配能有用的濾除其輸出方波信號中的諧波成分，因而串聯匹配使用較多。本機選用串聯匹配電感的方法，匹配電感L0串接在輸出變壓器T2副邊繞組與換能器的回路中。超聲波換能器與匹配電感構成的耦合振動電路如圖4所示。耦合振動電路的初級由匹配電感L0、初級回路損耗電阻R0和換能器靜態電容C0構成，次級由C0和換能器動態電感L1、動態電容C1以及動態電阻R1構成。

超聲波清洗機在各諧振點附近挑選使體系作業功率最高的頻率點作為超聲波換能器的作業頻率。在實踐作業中，因為換能器的頻率漂移使體系失諧時，只需調理IOB8引腳輸出信號的頻率，使體系從頭諧振，從頭回到匹配狀況。