超声波清洗机设计

摘要超声清洗技术的机理研究及设备开发与超声清洗工艺研究及应用在我国已有近50年的历史,几乎是与国外同步进行的。超声清洗属于物理力清洗，其本身为绿色清洗。超声清洗与现代科技发展及先进制造工艺密切相关，目前属于超声波中应用最为广泛的领域之一，它被广泛应用于机械、光学、电子、轻工、纺织、化工、航空航天、船舶、原子能以及医疗医药等工业部门。目前很多工业产品的清洗密度要求高、盲孔多、清洗难度大，普通清洗方法很难奏效，超声清洗则可以很好的解决这些难题。此次设计的超声波清洗机主要应用于表面复杂的器件进行清洗，本设计以单片机为核心器件，可以通过按键对清洗时间进行设定,通过LED数码管进行倒计时显示。该产品是一种机电产品，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。本系统运行可靠，实用性强，具有一定的使用价值和意义。关键词：超声波清洗，换能器，清洁度;AbstractMechanism of ultrasonic cleaning technology and equipment development and research of ultrasonic cleaning technology and its application in China has nearly 50 years of history, almost with foreign simultaneously. Ultrasonic cleaning is a physical force to clean its own green cleaning. Ultrasonic cleaning is closely related to the development of modern technology and advanced manufacturing technology, one of the most widely used ultrasonic fields currently belongs to , it is widely used in machinery , optics, electronics , light industry, textile, chemical , aerospace , shipbuilding , nuclear and medical and pharmaceutical industries. At present, many industrial cleaning products that require high density , blind holes and more difficult to clean , normal cleaning methods is difficult work, ultrasonic cleaning can be a good solution to these problems.The design of ultrasonic cleaning machine is mainly used for cleaning the surface of complex devices , the design of a microcontroller as the core device , you can set the keys on the cleaning time by LED digital countdown display . The product is a mechanical and electrical products , a piezoelectric ceramic material made by the ultrasonic transducer ultrasonic frequency electrical oscillations into mechanical vibrations , ultrasonic vibrations generated in the washing liquid . Use of ultrasound can penetrate solid materials leaving the cleaning medium vibration and cavitation bubbles, the cleaning method for cleaning the dead than any living appliances do not exist , and the cleaning cleanliness is very high. The system is reliable, practical, and has a certain value and significance.Keywords:Ultrasonic cleaning,transducer, cleanliness;目录摘要I1 绪论11.1超声波发展概况11.2超声波清洗器的应用范围11.3超声波清洗的特点21.4 设计背景和意义32系统论述52.1超声波清洗原理52.2 IGBT简介62.3三极管放大原理72.4推挽放大器工作原理介绍102.5超声波清洗机的结构和参数设定123 软件设计133.1主程序设计133.2子程序设计144硬件的设计164.1单片机的选择164.2超声波发生、换能器的选择194.3电源模块的设计214.4波形转换模块214.5放大模块224.6显示与键盘电路的设计244.7清洗槽的设计26结论27致谢28参考文献29附录301 绪论1.1超声波发展概况自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利；1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。超声波国内发展史：国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。1.2超声波清洗器的应用范围在所有的清洗方式中，超声波清洗是效率最高、效果最好的一种，之所以超声波清洗能够达到如此的效果，是与它独特的工作原理和清洗方法密切相关的。我们知道，在生产和生活当中，需要清洁的东西很多，需要清洗的种类和环节也很多，如：物件的清除污染物，疏通细小孔洞，常见的手工清洗方法对异型物件以及物件隐蔽处无疑无法达到要求，即使是蒸汽清洗和高压水射流清洗也无法满足对清洁度较高的需求，超声波清洗对物件还能达到杀灭细菌、溶解有机污染物、防止过腐蚀等，因此，超声波清洗被日益广泛应用于各行各业：（1）机械行业：防锈油脂的去除；量具的清洗；机械零部件的除油除锈；发动机、化油器及汽车零件的清洗；过滤器、滤网的疏通清洗等。有防锈清洗机/除油清洗机/机械零部件清洗机/五金件超声波清洗机/汽车零部件清洗机/摩配清洗机/高压喷淋清洗机等相关清洗机器。（2）表面处理行业：电镀前的除油除锈；离子镀前清洗；磷化处理；清除积炭；清除氧化皮；清除抛光膏；金属工件表面活化处理等。有镀膜前清洗机/镀膜前处理/磷化/钝化/电镀设备/喷涂线等。（3）仪器仪表行业：精密零件的高清洁度装配前的清洗等。（4）电子行业：印刷线路板除松香、焊斑高压触点等机械电子零件的清洗等。（5）医疗行业：医疗器械的清洗、消毒、杀菌、实验器皿的清洗等。1.3超声波清洗的特点超声清洗相比其他的清洗方式具有很多优点。首先超声波清洗的清洗效果好，清洁度高且清洗非常均匀。只要有液体超声空化泡能到达的地方，超声波清洗就能起作用，对于深孔、细缝和工件隐蔽处都可以清洗干净。所以超声波清洗对于表面形状复杂的工件有很好的清洗效果。对于对表面质量有严格要求的工件，超声波清洗往往由于不会对表面造成伤害而成为能满足其技术要求的唯一的清洗方法。由于超声波清洗的机理不同于通常的清洗作用，因此清洗率高达 90%以上，具有很好的清洗效果。下图为超声波清洗与其他清洗方法的比较。图 2-1 不同清洗方式的清洗效果对比图1-1 不同清洗方式的清洗效果对比其次，超声波清洗的效率很高。超声波清洗是一种高效的清洗方法，超声空化产生的巨大能量可以有效减弱污物对被清洗工件的依附力，从而使得超声波清洗具有很高的清洗效率。在某些特殊应用场合如除油、防锈等方面，超声波清洗效率相比传统方法可以提高几倍到几十倍。由于超声波清洗的清洗工作主要由超声空化来实现，所以便于实现自动化，可以有效的降低工人的劳动强度。由于能够实现清洗的自动化，就可以由少量的工作人员来完成大批量的清洗工作，大大提高工作效率。这样一来超声清洗的成本也能得到大幅降低。实际上超声清洗也是最为经济的一种清洗方式。最后，超声清洗可以有效的避免环境污染。随着社会的不断进步和发展，环境保护问题越来越引起人们的关注。传统的清洗工艺利用强酸、强碱的腐蚀性来达到清洗的目的，不可避免的造成大量有害的废水排放。超声波清洗利用超声波的空化作用和一般水基清洗剂就可以达到或超过传统化学清洗的清洗效果，这样就可以有效的避免环境污染。1.4 设计背景和意义目前，由于环境保护的要求，使用清洗剂逐渐成为众多厂家的首选，这就需要与超声清洗配合才能取得更好的效果。近10年来，超声波清洗设备正在朝两个方面发展。其一是，各种类型的多缸或传动链式或升降式超声清洗生产线相继面市；其二是，低频超声波清洗机向高频超声波清洗机的发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声波清洗设备总量已呈明显上升之势，高达总量的50，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声波清洗线体设备也已上升到总量的40以上。我国超声波清洗技术的应用已经取得了较好的成效。一是机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、轴承、制动器、燃油过滤器、阀门的清洗。二是印制电路板、硅片、晶片、元器件壳、座、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、连接件、显像管以及电真空器件等的清洗。三是眼镜、显微镜、望远镜、瞄准具等光学系统及取样玻璃片的清洗。四是医用器具、食品、制药、生化等试验中所用各种瓶罐的清洗。五是喷丝头、精密模具、精密橡胶件、珠宝工艺品等的清洗。我国现有各类超声波清洗设备制造企业近40家，但其分布主要集中在东南沿海地区。据统计资料，沿海地区的厂家占全国总数的85，可见经济发达地区对超声波清洗技术的应用不但在先，而且广泛，普及程度高，同时，这又证明超声波清洗技术在中西部地区推广普及的前景十分广阔。就产品水平而言，当代产品与20世纪7080年代的产品相比，技术进步也十分明显。近年来，由于对汽车制动器生产线、冰箱压缩机生产线的传统清洗工艺实行技术改造，拟采用超声波清洗工艺。在国外汽车底盘架、轿车外壳喷涂前的超声波清洗，配合专用清洗液，将除锈、去氧化膜及磷化一次清洗处理完成，烘干后即可喷漆等都有了新的应用和发展。美国Dvpont公司在新泽西州制药厂的应用报告称：超声波清洗能除去反应罐或化学处理桶壳表面的污物，比用普通方法节约能源，费用低且减少环境污染，清洗过程简单，只要在容器中灌满水，加热到65，并加入2的表面活性剂，进行处理24h，即可清洗干净。欧洲的一些厂家曾清洗过各种的罐，以前用甲醇加热到沸点一次处理48h，总共要进行5次清洗才能达到要求，而且超声波清洗只需要一次处理即能达到要求，既节省溶剂，提高效率，又减少环境污染。随着超声波清洗设备的应用范围越来越广泛，各种经过不断完善和改进的新颖超声波清洗设备正在取代已面市的老式设备。兆赫超声波清洗技术是指采用频率700kHz2MHz的超声波进行清洗。清洗系统一般由压电换能器、清洗容器和清洗液、高频电功率发生器及控制电路等组成，对于某些特定的清洗对象，有时还配有热空气烘干、专用清洗架及清洗液的过滤循环系统。兆赫超声波清洗技术的主要特点，一是避免了高光洁度物体的表面损伤；二是可除去附着在表面的亚微米大小的颗粒；三是浸入液体中，面向换能器的一面能被洗净，所以要进行两面清洗。目前，国外市场上已有商用的兆赫超声波清洗设备。美国Verteq、Imtec、ProSys公司已开发出这类设备用于半导体生产线上，在对100300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到015m的微小颗粒，而且可加快漂洗过程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附着。兆赫超声波清洗是国外许多大规模集成电路制造厂家生产过程中不可缺少的标准设备。2系统论述2.1超声波清洗原理在超声波清洗中起主要作用的是超声波空化作用。超声波在液体中传播时，超声波使液体产生大量的微小气泡，即空化气泡。空化气泡在超声波传播的负相区内形成、生长，而在超声的正相区内闭合、崩溃。在空化气泡崩溃瞬时气泡内可形成高达数百乃至上千个大气压，瞬时温度可达 5000K 以上。超声清洗主要依靠位于清洗工件表面或附近的空化气泡来完成。具体的清洗过程则因工件上沾染污物的性质不同而不同，例如稳态空化和微声流可以在工件表面处提供一种溶解机制而使可溶性沾染物溶解。对于不可溶解的污染物，在污染层与工件表面之间的稳态空化气泡可以使污层脱落。稳态空化和微声流还有助于水溶液中的油脂乳化，瞬态空化也有可能将污物层击碎而将其剥落。超声空化的主要表现在以下几个方面。（1）存在于液体中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速变大，然后突然闭合，在气泡闭合时产生的冲击水波能在其周围产生上千大气压的压力，破坏不溶性污物而使他们分散在清洗液中。（2）蒸汽型空化对污物层的直接反复冲击，一方面破坏了污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而与清洗件表面脱离。（3）气体型气泡的振动对固体表面进行摩擦，超声空化气泡可以“钻入”裂缝中做振动，使污层脱落。例如，工件上有氧化物层既可以比较轻易被气泡剥离。（4）对于有油污包裹住的固体粒子，由于超声波空化的作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，固体粒子将脱落。（5）空化气泡本身在振荡过程中，将伴随着一系列二阶现象发生，如辐射扭力。辐射扭力在均匀液体中作用与液体本身，从而导致液体本身的环流，称之为声流。这个声流可以作用于量级较大的范围，也可限于量级较小的范围内，后者被称为微声流，微声流可以使振动气泡表面处在很高的速度梯度和粘滞力作用下，这种应力有时高达 100MPa 以上，足以使工件表面污物造成破坏而使其脱落。（6）超声空化在固体和液体界面上所产生的高速微射流能够除去或消弱边界污层，增加搅拌作用，加快可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。此外，清洗液本身的振动还会对清洗做出很大的贡献。超声波在清洗液中传播时将引起质点的振动位移，相当于工件表面在每秒钟接受数万次上百个大气压的强烈冲击。事实上，在清洗槽中更接近于混响场，可能使这一过程更加激烈。2.2IGBT简介IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图2-1N沟道增强型绝缘栅双极晶体管上图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12VUGE18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。2）IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。3）选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvcedt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dicdt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dicdt效果不明显。4）当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。2.3三极管放大原理三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。图2-2 三极管放大图以NPN型硅三极管为例，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话)，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数(一般远大于1，例如几十，几百)。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因：首先是由于三极管BE结的非线性(相当于一个二极管)，基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生(对于硅管，常取0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变(因为小于0.7V时，基极电流都是0)。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流(叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻)，那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了)。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小;当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻Rc的限制(Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压)，集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0(这叫做三极管截止)，相当于开关断开;当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时(大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数)，三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前)。但是在实际使用中要注意，在开关电路中，饱和状态若在深度饱和时会影响其开关速度，饱和电路在基极电流乘放大倍数等于或稍大于集电极电流时是浅度饱和，远大于集电极电流时是深度饱和。因此我们只需要控制其工作在浅度饱和工作状态就可以提高其转换速度。对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来变成朝里的。2.4推挽放大器工作原理介绍功率放大电流的特点(1)为得到需要的输出功率，电路须选集电极功耗足够大的三极管，功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用。(2)从能耗方面考虑，功放输出的功率最终是由电源提供的，例如收音机中功放耗电要占整机的2/3，因此要十分注意提高电路效率，即输出功率与耗电功率的比值。(3)功放电路的输入信号已经几级放大，有足够强度，这会使功放管工作点大幅度移动，所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当，输出会有严重失真。常用功率放大电路的原理单只三极管输出的功放电路输出小、效率低，日用电器中已很少见。目前常采用的是推挽电路形式。下图是用耦合变压器的推挽电路原理图。它的特点是三极管静态工作电流接近于零，放大器耗电及少。有信输入时，电路工作电流虽大，但大部分功率都输出到负载上，本身损耗却不大，所以电源利用率较高。这个电路中每只三极管只在信号的半个周期内导通工作，为避免失真，所以采用两只三极管协调工作的方式。图中输入变压器B1的次级有一个接地的中心抽头。在音频信号输入时，B1次级两个大小相等、极性相反的信号分别送到BG1和BG2的发射结。在输入信号的正半周时间里，BG1管因加的是反向偏压而截止，只有BG2能将信号放大，从集电极输出；而在信号负半周，BG1得到正高偏压，能将这半个周期的信号放大输出，而BG2却截止。电路中的两只三极管虽然各自放大了信号的半个同期，但它们的输出电流是分先后通过输出变压器B2的，所以在B2的次级得到的感应电流又能全成一个完整的输出信号。图2-3耦合变压器的推挽电路原理图这个功放电路中，为了解决阻抗匝配和信号相位等问题，输入与输出变压器是不可少的。但是，优质变压器的制作在材料和工艺上都比较困难，它本身总还要消耗一部分能量，降低电路的效率，而且变压器的频率特性不好，使电路对不同频率信号输出很不均匀，会造成失真，所以为了提高功放质量，人们更多地使用无变压器（OTL）功率放大电路。下图是互补对称推挽功放电路原理图。这里用了两只放大性能相同，而导电极相反的三极管（称为互补管）。图中BG1是NP管。放大器输入交流信号的正半周时，对BG1管来说，基极电压为正极性，发射极为负极性，发射结有正向偏压，三极管能够工作。但BG2却因发射结加了反向偏压而截止。因此，信号的正半周由BG1管放大。在信号负半周时，情形正相反，BG2管能够工作，将信号的负半周放大。放大后的信号由两只三极管轮流送出，在扬声器上重新合成完整的信号。图2-4互补对称推挽功放电路原理图2.4.3实际电路分析推挽电路中的两只三极管各放大信号的半个周期，这就要求两管放大性能相近（值相差10%以内），否则放大后的信号两半周期幅度不同，将出现明显失真。交越失真也是推挽电路的特有问题。象上面原理图中的三极管都没有加静态偏流，在输入信号很弱时，三极管放大能力很小，甚至会因发射结不能导通而失去放大作用。这样每当输入信号幅度接近零时，也就是在两只推挽管轮换工作开始和终了的时候，输出信号就不能很好衔接，出现严重失真。为了解决这些问题，在许多实际应用电路中，都要为三极管加上很小的正偏压，使电路既高效又能减小失真。2.5超声波清洗机的结构和参数设定2.5.1超声波清洗机结构设计超声波清洗机主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成,其结构如图2-5。超声波发生器将直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。图2-5 超声波清洗机结构示意2.5.2参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2050kHz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,易于清洗精细且形状复杂的物品。拟采用6组换能器,分别由单独开关控制,声强及频率均可调节。清洗液采用碳氢清洗液,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。3 软件设计3.1 主程序设计系统软件设计采用模块化设计，主要包括中断主程序、入口程序、定时器0中断程序、倒计时显示子程序、超声波发射子程序、延时子程序和报警子程序设计等。（1）主程序流程图主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并清计数器，然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。图3-1程序主流程图为了避免超声波发射器引起的直射波，需要延时0.1ms后才可打开外部中断0的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是0.5s，所以当主程序检测到标志位后，调用振动子程序最后显示在LED上，主程序流程图如图3-1所示。3.2子程序设计（1）中断子程序设计当超声波发送脉冲波后，在程序中定义为外部中断0，INT0中断在程序中的作用是形成中断进行跳转进入中断子程序，能够实现在程序设计上的思维，使整个程序符合逻辑设计。中断子程序流程图如图3-2所示。在程序中应注意进中断时变量的保存及出中断时变量的恢复。当有外部中断时，为避免进入中断死循环，必须在退出中断子程序时用软件清除该标志位。系统在进入中断时会自动关中断，之后进入处理子程序。接收中断后，读取定时器值，设置标志位。图3-2 中断子流程图（2）按键扫描程序流程图按键扫描程序流程图如图3-3所示，该程序部分完成对按键的扫描，组合键码值返回，由于按键的公共端接低电平，所以当按键I/O口为低电平时，证明有按键按下，所以进入程序后先将P1口即按键的接口，全部置1，然后通过if(P1&0xff)!=0xff)；来判断是够有按键动作，将P1口与0XFF，如果值不等于0XFF，则证明有按键动作，然后经过20ms的延时，再次使用该语句进行一次判断，如果确实有按键按下，则此语句成立，将进入键码值提取提取，加入按键1按下则编码值为01111111，为0X7F，为了便于观察与调试将该键码值取反，则为0X80，将该按键编码返回，然后执行查询程序进行按键的查询，查询后进行按键执行程序的执行。图3-3 按键扫描流程图4硬件的设计4.1单片机的选择单片机的选择有多种方案可供参考，例如AVR单片机、TI公司单片机、STC单片机、PIC单片机和51系列单片机。因此我在在单片机外围电路设计前对各种单片机方案进行了比较：(1) AVR单片机AVR单片机由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机。其特点是：简单易学，AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级；费用低廉，高速，低耗，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。(2) TI公司单片机德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。(3) STC单片机STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快812倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰能力强。(4) PIC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。(5) 51系列单片机51些列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。掌握起来比较简单，且成本低，可靠性高。下面我们来比较89C51和89C52：表4.1 51和52的比较数据存储器程序存储器定时器中断51系列128B4KB2552系列256B8KB38综上所述，选择51系列的单片机是最符合实际需求的，实验方便，且数据处理量不是很大，所以，本次设计选定以51系列单片机为控制核心的STC89C52单片机来进行。Atmel公司推出的AT89C52，它是一种低功效、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗(WDT)定时/计数器。如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。T89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要功能特性:（1） 兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次）Flash ROM （2） 32个双向I/O口,256x8bit内部RAM （3） 3个16位可编程定时/计数器中断,时钟频率0-24MHz （4） 2个串行中断,可编程UART串行通道（5） 2个外部中断源,共8个中断源（6） 2个读写中断口线,3级加密位（7） 低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能STC89C52各引脚功能及管脚电压如图4-1所示图4-1STC89C52的引脚图概述：STC89C52为40 脚双列直插封装8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口:P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位4。XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。4.2超声波发生、换能器的选择超声波发生器也称为超声频发生器、超声电源，其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。目前使用的超声波发生器频率为1625kHz，功率在204000W范围内。功率在1000W以上的超声波发生器多用电子管式，而小功率者多用晶体管实现。近年来由于电子技术的进步，大功率的电子管超声波发生器已逐渐被晶体管所取代。晶体管电路发生器失真小、效率高、寿命长，但稳定性、耐冲击性和抗干扰性差，目前主要应用于压电陶瓷换能器的驱动。而电子管式发生器耐冲击，结构简单，可靠性好，但失真大、效率低、易老化、操作繁琐，且机内存在高压，使用很不方便。不管是电子管或是晶体管式的，超声波发生器的组成方框图都类似图4-1，分为振荡级、电压放大级、功率放大级和电源四部分。其中振荡级由三极管连接成电感反馈振荡回路，调节电路中的电容可以改变振荡频率，振荡级的输出经耦合至电压放大级放大后，利用变压器倒相输送至末级功率放大器。功率放大管常用多管并联推挽输出，经输出变压器输出至换能器。图4-2超声波发生器方框图为使发生器和换能器相匹配，以便发生器效率最高，则超声波发生器必须满足下列要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调且稳定，最好有频率自动跟踪系统和自动微调的功能，发生器的输出阻抗应与换能器阻抗相匹配。此外还要求超声波发生器结构简单、工作可靠、经久耐用、价格便宜、体积小等。换能器作用是将高频电振荡转换成机械振动，它是将电功率转化成机械功率的关键部件。目前实现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法，对应的换能器有压电换能器和磁致伸缩换能器两种。压电换能器是利用某些压电晶体材料的压电效应的逆效应制成的。压电效应是指压电晶体在一定方向，一定的晶面上受压或受拉时，就在相应的面上出现电荷。这种效应具有可逆性，既在压电晶体上加一个电场，当电场方向和压电轴方向相一致时，压电晶体就相应地沿一定的方向发生强烈的压缩或拉伸。如果电场是交变的，则压电晶体随即产生交变地伸缩变形。超声波发生器输出交变电场加在压电晶体上，从而获得超声波振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故晶体片的厚度应为声波的半波长或整数倍。压电式换能器具有结构尺寸小、机械强度低、电声转换效率高、发热与辐射功率较小与超声加工系统易于匹配等优点。4.3电源模块的设计图4-3电源模块上图为供电电源，为整个设计提供电能，本模块的设计保证了整个设计的顺利进行，图中的二极管由于具有单向导通性的特点，保证了电能只能有一个方向传入，从而使其他模块的安全性提高。4.4波形转换模块图4-4 波形转换电路从单片机输出一个方波信号，给CD4011BN，本模块实现作用为，因为CPU给出的方波信号不是严格的方波信号，但是因为与非是逻辑取反，其结果不是0就是1，所以当原来从单片机发出的不严格的方波信号完全经过与非门（CD4011BN）连续与非后，就能起到一个电频的整理作用，最终结果就会得到一个完整的方波信号，。把原来不太好的电频信号整理成一个严谨的方波信号。图中电容的作用有两个，27pf的电容（c12，c11等）作用是滤波，去除干扰，0.1uf（c1,c6等）的作用是实现方波到正弦波的变化。因为原来是方波，电容本身就要克服电容两端电压的变化，加上电容后，就变成正弦波。4.5放大模块超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器使用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和IBGT器件）。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路垄断。与电子管发生器相比，晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲由于受到方向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力，除了有赖于搞性能器件外，还必须采用高效率的电路。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化。图4-5 推挽电路因为转换波形后功率较小，所以输出的数字量经过推挽电路，三极管放大，但是放大后仍然不能使换能器，因为换能器工作的功率需要几十伏，所以还要在经过一次放大。图4-6放大电路如图4-6，是放大电路，因为输入电压比较小，而输出时要变成一个高电压，所以加上一个两路的变压器，变压器输出接口驱动MOSFET管，经过多次放大输出汇总给S端。经过放大后，正弦波的频率、波形、相位，完全保持不变，只是放大了功率。4.6显示与键盘电路的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单最直观的显示器可以使用LED发光二极管，而复杂的比较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。显示电路如图4-7所示。图4-7LCD显示电路连接图在外围的键盘控制电路中，设置了四个独立按键，分别与单片机的P1.3P1.6相连，当按下S1时，启动超声波发射，开始机器；当按下S2时，停止发射超声波，即停止机器；S3为报警开关，当清洗过快时，蜂鸣器电路发出警告，此时按下S3键，即可停止报警，S4为预留出来的按键，当需要的时候可以实行编程控制。电路设计如图4-8所示。图4-8键盘控制电路4.7清洗槽的设计在超声清洗过程中，主要的清洗工作都在超声清洗槽中完成。清洗槽是一种容器，内盛清洗液和被清洗工件。一般被清洗工件不是直接放置清洗槽中，而是盛在专用的网孔框中，或者挂在专用支架上悬于清洗液中，以避免直接压在清洗槽底上。超声换能器通常采用专用胶直接粘在清洗槽底板上，或根据清洗要求粘在槽壁上。为提高清洗效果，清洗槽上可根据需要加装加热器和控温等辅助装置。尺寸大小是超声清洗槽的主要参数指标，清洗槽的大小对应换能器传递的声功率，清洗槽的容积越大需要的超声功率也越大。通常清洗槽的尺寸设计是根据清洗的需要来进行确定。针对大批量的清洗必须选用较大的清洗槽，但如果选用的清洗槽过大又会造成功率的浪费。针对小型零件的小批量清洗就要选择较小尺寸的清洗槽，但是如果选用的清洗槽过小就会限制被清洗工件的尺寸和数量。几何形状是超声清洗槽设计的关键。一般情况下，小型的超声波清洗装置可采用圆形或正多边形，如六角形等。中等功率的超声波清洗装置则采用方形。大型工业清洗线采用长方形清洗槽。由于超声波的作用区域被限制在清洗槽内部，所以清洗槽的几何形状会直接影响到超声波声场在其中的分布。清洗槽的形状合适，能使超声声场在其中分布的比较均匀。如将其中一个底角截成等腰三角形或用斜四棱台式清洗槽，被清洗工件在清洗槽中任何位置都能得到有效的清洗。通常的清洗槽都采用对称的几何形状。本实验中所采用的超声清洗槽由于超声清洗的功率较小，所以形状选定为圆形，尺寸为底部直径为 160mm，高度为 200mm，在工作中由于可根据需要调节发生器输出的大小。结论通过几个月的努力，在老师的悉心指导下，通过自己的努力，终于完成了基于单片机的超声波清洗机的设计。毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会。通过这次对基于单片机的超声波清洗机的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，设计的实践锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我综合运用文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。该设计的硬件结构简单，集成度高，工作可靠，测试稳定，显示准确清晰，使人一目了然。经过测试，各部分运行正常，成功地达到了硬件设计要求。通过与硬件电路的结合，对程序的测试与调试，最终是程序能够正常运行，实现了运用超声波清洗器件的功能。总之，整个系统的工作状态良好，完成了设计任务的全部要求。在这次的设计后我了解到，非接触测量在当今的社会发展当中已经变得十分重要，而超声波作为非接触测量的一种方法，已经在很多领域得到应用。本