摘要：针对现在工业清洗问题，规划了一款依据STC单片机超声波清洗机体系。该体系选用STC15F2系列的单片机为操控中心，加以功率调理、半桥逆变、PWM发生与操控等模块电路，利用了调谐匹配和阻抗匹配，使压电换能器输出最大功率。本超声波清洗机具有功率、频率可调、守时清洗的功用，以及清洗功率高、成本低、运转安稳的特色，到达节能环保的意图，使用远景宽广。
跟着超声波技能的不断发展，超声波广泛使用于检测、清洗、焊接、医疗等范畴，甚至在纺织、航空范畴也能见到它的踪影。现在，超声的研讨和使用可分为功率超声和检测超声两大范畴，超声清洗是功率超声最为广泛的使用之一。它经过换能器，将功率超声的声能转化成机械振动，一起强超声波在液体传达时会发生“空化效应”。在空化气泡忽然闭合时宣布的冲击波可在其周围发生上千个大气压力，对污层的直接重复冲击，一方面损坏污物与清洗件外表的吸附，另一方面也会引起污物层的损坏而脱离清洗件外表并使它们涣散到清洗液中，以铲除物体外表的杂质、尘垢或油。与其他清洗比较，超声波清洗具有功率高、能耗低、清洁环保的特色，特别在清洗杂乱零件、盲孔、狭缝多的物件时，更凸显它的优势。
1 超声波清洗机全体方案规划
文中规划的超声波清洗机是以STC单片机为操控中心，包含整流滤波、逆变、IGBT驱动、PWM发生与操控、频率扫描显现、功率调理、调谐匹配与阻抗匹配模块以及相关维护模块。
在超声波清洗机中，220 V50 Hz的市电输入后分为两路，一路用来发生大功率超声波，另一路用来检测、操控与显现的供电效果，详细如图1所示。其间，经过双向可控硅可操控清洗机的功率。逆变模块为半桥逆变，把直流电压逆变为高频沟通电压，再经调谐匹配与阻抗匹配模块的变压器升压以及电感匹配，可以高功率、最大功率地输送到压电换能器。最终，压电换能器把超声波电源输出的电能转化为高频机械振动。
2 超声波清洗机各模块规划原理
2.1 整流滤波与功率调理模块
220 V50 Hz沟通电经整流桥B1整流以及电解电容C12滤波后发生直流输出电压。其间双向可控硅TR1用于功率调理，C11为安规电容，R11和C11首要用于消除高频搅扰。而U1为光耦，类型可以挑选MOC3021，1脚和3脚接调功模块。光耦U1起到阻隔强弱电的效果，增强了电路的可靠性和安全性。
在超声波电源体系的作业过程中，整流滤波模块与逆变模块会发热，可以将两个模块安装在一个铝片散热器上，进行风冷散热。这样，体系可以更安全可靠作业。
2.2 逆变与脉冲驱动模块
因为半桥逆变电路所用到的功率器材少，成本低，而且操控相对简略，因而本文规划的超声波清洗机选用半桥逆变电路。
在半桥逆变电路中，两个全控型开关器材为IGBT，即Q1与Q2和二极管D11和D12构成半桥逆变，在Q1和Q2上加以互补的信号，O1与Q2两IGBT是轮番触发的，即各替换进行导通。一起，在直流侧输入端接的电容C1和C2应足够大，而且C1=C2，容值可选2μF以上。相同，电阻R14、R15也应足够大，而且R14=R15，阻值可选100 kΩ以上。熔断器F11和F12用于维护开关管Q1和Q2，避免电流过大。
变压器T1和电阻R16、R17、R18、R19组成脉冲驱动模块，为Q1和Q2供给互补的触发信号。因为IGBT的驱动电压应小于20 V，而T12，T14间的输入电压约12 V，因而变压器T1变比规划为1：1：1。R18、R19用于限流效果，可选20 Ω左右的电阻。在本超声波清洗机中，上下两个IGBT器材留有必定的死区时刻，以避免两者一起导通。
2.3 变压与线性稳压
220 V50 Hz沟通电经变压器T4降压为12 V，再经整流桥B4整流、C41滤波以及U1(L7812)线性稳压后，输出12 V直流电压，给PWM发生与操控模块供电。一起，直流12 V再经U2(L7805)二次稳压变为5 V，为处理器IAP15F2K61S2作业供给电源。LED1发光二极管，起电源指示效果。为了削减电压的脉动系数，加入了电容C43、C44屡次滤波。
2.4 PWM发生与操控模块以及驱动模块
在本超声波清洗机中，以KA3525A作为PWM发生与操控芯片。如图5所示，KA3525A振动频率的设定规模为20～40 kHz，芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大规模内调理死区时刻。KA3525A的振动频率可表示为：
式中：CT、RT分别是与脚5、脚6相连的振动器的电容和电阻;Rd是与脚7相连的放电端电阻。此处：Rd、CT、RT分别为图中的R52、C5、(R51+Rp51)。其间，Rp51为精细可调电阻，即经过R1和R2可以调理PWM输出频率。管脚8接一个电容C51用来软启动，削减功率开关管的开机冲击。11和14脚输出两路互补的PWM波，经中功率的三极管Q1、Q2、Q3、Q4扩大，再经脉冲驱动变压器T1驱动两个IGBT，操控逆变模块完成半桥逆变(如图3所示)。高频变压器T1起阻隔强电与弱电的效果，增强了驱动才能和电源的可靠性。
2.5 功率调理模块
功率调理的完成原理：经过IAP15F2K61S2单片机的一个AD口检测调功电阻上电压巨细，再经过模数转化取得AD数值。再依据此值操控双向可控硅TR1过零延时触发，即经过操控触发脉冲的相位来操控输出功率。其间，图6为过零触发原理图，12 V沟通电经二极管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限压，再经三极管Q3检测过零点。当电网电压过零时，P3.3发生负脉冲。别的，IAP15F2K61S2单片机的P3.3口是一个外部中断口，经过检测过零脉冲取得工频电压的过零点。
2.6 调谐匹配与阻抗匹配模块
超声波电源与换能器的匹配首要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为削减静电抗发生的无功损耗，使压电换能器输出最大功率，需求经过匹配使换能器近似于纯电阻状况，进步超声波电源输出功率。别的，若完成了调谐匹配时，即负载为纯电阻状况时，为使电源输出最大功率，需求令实践负载和电源的最佳输出阻抗持平，而完成办法为：经过高频变压器使换能器的阻抗改换为超声波电源的最佳输出阻抗，从而使压电换能器输出最大功率。
图7为超声波清洗机调谐匹配与阻抗匹配模块。其间，虚线框内为压电换能器的等效电路图。
其间，Co是压电换能器的静态电容，首要是由夹持而发生的电容，它是一个实在的电学量;Ro是压电换能器的介电损耗电阻，一般以为Ro无穷大，一般忽略不计;Ld、Cd、Rd分别为压电换能器的动态电感、动态%&&&&&%和动态电阻。当Ld、Cd处于谐振时，串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配效果下，超声波电源的整个负载呈现出纯电阻性。当电源的输出电压稳守时，阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关，因而，需求选用高频变压器来进行阻抗改换，从而使超声波电源可以以最大功率输出。
3 结束语
文中依据实践需求，以STC一款类型为IAP15F2K61S2的单片机作为操控中心，提出了超声波清洗机体系全体规划方案。依据规划方案，进行了软件、硬件的规划和调试，保证其作业频率在20～50 kHz规模内接连可调，死区时刻安稳，从而使与超声波电源与压电换能器匹配后可以发生大功率的超声波。最终依据规划制造出了一款具有调功、调频、守时功用的超声波清洗机。经过现场实验，本超声波电源体系可以长时刻安稳地作业。
