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1、頻率自動跟蹤超聲清洗裝置設(shè)計 摘要：為保障超聲波換能器工作在諧振狀態(tài)，設(shè)計了一款以ATMEGA328單片機(jī)為核心，結(jié)合模擬電路，帶有頻率自動跟蹤功能的超聲清洗裝置，包含主電路和控制電路。主電路的作用是將市電轉(zhuǎn)換為超聲頻電能供給換能器，控制電路的作用是根據(jù)鍵入頻率值為IGBT器件提供開關(guān)信號，再將鑒相結(jié)果反饋回單片機(jī)用于調(diào)整輸出頻率，保障清洗裝置工作于最佳諧振狀態(tài)。此外，清洗裝置的運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)由液晶屏實(shí)時顯示。通過仿真證明，該款清洗裝置具有易調(diào)節(jié)、精度高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)械、化學(xué)、醫(yī)療、電子等常用器件的清洗、除垢。 關(guān)鍵詞：超聲波發(fā)生器；逆變電路；頻率跟蹤；

2、交流斬波 超聲清洗技術(shù)適用于表面形狀復(fù)雜，且質(zhì)量要求高的器件的清洗、除垢，如機(jī)械、電子、光學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。超聲清洗裝置作為該技術(shù)的核心，為換能器提供超聲頻電能，通過機(jī)械振動、"空化效應(yīng)";、"剪切效應(yīng)";，完成清洗[3-4]。但在實(shí)際應(yīng)用中，換能器存在發(fā)熱、損耗和老化等問題，導(dǎo)致諧振頻率漂移，甚至換能器損壞，因此，需要超聲清洗裝置的輸出頻率與換能器實(shí)際工作頻率保持一致；此外，傳統(tǒng)超聲清洗裝置在功率調(diào)節(jié)方面，多采用變壓器調(diào)壓、移相調(diào)壓、直流斬波調(diào)壓等方法，大多存在不易設(shè)計、功率因數(shù)不高等問題，導(dǎo)致電源工作效率降低。綜上分析，本文設(shè)計了一款帶有頻率自動跟蹤、智能調(diào)節(jié)，以及輸出功率數(shù)

3、字控制的超聲清洗裝置，保障電源系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。 1超聲清洗裝置設(shè)計 超聲清洗裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括主電路和控制電路。 1.1主電路設(shè)計 主電路采用AC-AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，包括交流斬波調(diào)壓電路、整流濾波電路、逆變電路、匹配電路、驅(qū)動電路等，主要功能是將市電轉(zhuǎn)換為超聲頻電能供給換能器。圖2為交流斬波電路，采用軟硬件結(jié)合方式，將斬波控制信號作用到IGBT器件，控制通、斷，將連續(xù)的正弦電壓斬成離散的片斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)功的功能。 1.2控制電路 控制電路以ATMEGA328為核心，包括超聲波發(fā)生電路和頻率自動跟蹤

4、電路（見圖3），其中頻率自動電路又細(xì)分為電流采樣及過零比較電路、鑒相反饋電路等，主要功能是為逆變電路和交流斬波調(diào)壓電路提供IGBT柵極脈沖信號，并根據(jù)鑒相反饋信號調(diào)整信號頻率。超聲波發(fā)生電路由高性能單片機(jī)芯片ATMEGA328、4*3鍵盤和LCD液晶模塊構(gòu)成。ATMEGA328具有6路PWM輸出，3個定時/計數(shù)器。本文中定時/計數(shù)器1(T/C1)的時鐘源為壓控振蕩器(VCO)的輸出信號，定時/計數(shù)器2(T/C2)的時鐘源為單片機(jī)系統(tǒng)外接的16MHz晶振。通過查詢ATMEGA328芯片資料[5]，進(jìn)行如下配置：(1)T/C1設(shè)置成相位頻率修正PWM模式，其中，TCCR1A=0XB0，TCCR1B

5、=0X17，此時ICR1為計數(shù)TOP值，TCNT1為計數(shù)初值，占空比為50%，即全橋逆變驅(qū)動信號20~60kHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；(2)T/C2設(shè)置成CTC模式，TCCR2A=0X52，和TCCR2B=0X00，此時OCR2A為計數(shù)TOP值，占空比為50%，即交流斬波控制信號。電流采樣及過零比較電路采用基于霍爾效應(yīng)的ACS712芯片，通過IP+/-引腳對換能器電流進(jìn)行采樣，再由過零比較電路變?yōu)榉讲?，即獲得采樣電流方波信號。鑒相反饋電路以集成芯片74HCT4046為核心，保障ATMEGA328輸出信號頻率與換能器實(shí)際工作頻率保持一致[6]。該電路將采樣電流方波信號和全橋逆變驅(qū)動信號分別接74HCT

6、4046的14和3腳，并由13腳輸出鑒相電壓信號。在未發(fā)生諧振時，電路工作過程如下：(1)若14腳信號頻率低于3腳時，13腳輸出低電平，反之輸出高電平；(2)若兩引腳信號同頻時，當(dāng)14腳相位超前3腳，13腳輸出正脈沖，反之輸出負(fù)脈沖，脈沖寬度與兩輸入信號上升沿間相位差呈正比；(3)若兩輸入信號同頻同相時，輸出為高阻；(4)由13腳輸出的鑒相電壓信號經(jīng)低通濾波后，輸入到9腳，即芯片內(nèi)部VCO；(5)由4腳輸出VCO信號，并作為ATMEGA328的T/C1外接時鐘源。綜上分析，全橋逆變驅(qū)動信號經(jīng)鑒相反饋電路后，逐漸逼近換能器實(shí)際諧振頻率，實(shí)現(xiàn)頻率的自動跟蹤和智能調(diào)節(jié)。圖3中，C8、R7、R8和D2

7、構(gòu)成他激啟振電路，解決無法自動進(jìn)入預(yù)定啟動的問題。 2軟件設(shè)計及電路仿真 2.1軟件設(shè)計 超聲清洗裝置軟件設(shè)計程序流程如圖4所示，由ARDUINO軟件進(jìn)行編譯，主程序功能包括判斷和調(diào)用子程序；子程序功能包括交流斬波控制信號的調(diào)節(jié)、全橋逆變驅(qū)動信號的調(diào)節(jié)及頻率跟蹤調(diào)節(jié)。 2.2電路仿真 利用PROTEUS[7]和SIMULINK[8]兩款軟件對圖5所示的超聲清洗裝置電路進(jìn)行仿真。PROTEUS主要仿真控制電路，結(jié)合ARDUINO編譯的HEX文件聯(lián)合仿真，圖6為頻率跟蹤仿真結(jié)果，其中右面波形為采樣電流方波信號，左面波形為全橋逆變驅(qū)動信號，

8、可見換能器兩端電壓和流過電流逐漸同頻同相，即換能器處于諧振狀態(tài)。圖7為交流斬波調(diào)壓電路仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，該款電源設(shè)計方案可行，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，動態(tài)響應(yīng)快。 3結(jié)束語 研究了一款以ATMEGA328單片機(jī)為核心，利用外部晶振產(chǎn)生超頻及高分辨率的PWM信號，以此控制全橋逆變電路和交流斬波調(diào)壓電路，結(jié)合鑒相反饋實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤，保障超聲清洗裝置系統(tǒng)工作在最佳諧振狀態(tài)。 參考文獻(xiàn)： [1]倪作恒,王冠,馬軍,等.超聲波技術(shù)在鋅銀電池極片清洗中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2018,24(5):674-677. [2]王秀芝,程云飛,李艷聰,等

9、.用于不同蔬菜中農(nóng)藥去除的超聲波清洗器結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].科技通報,2018,(5):240-243. [3]李長有，李帥濤，劉遵.超聲清洗裝置的復(fù)合頻率跟蹤策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(10):135-137. [4]肖喜鵬,張加勝,劉祖超.基于單片機(jī)控制的超聲波換能器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用聲學(xué),2015,34(2):113-118. [5]StevenFBarrett.Arduino高級開發(fā)權(quán)威指南[M].原書第2版.潘鑫磊,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014. [6]李正生,陳浩,李萌蕊.CD4046中VCO的工作原理與外圍元件試調(diào)選擇[J]電子設(shè)計工程,2018,26(12):106-111. [7]周潤景,劉曉霞.基于PROTEUS的電路設(shè)計、仿真與制版[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013. [8]王晶,翁國慶,張有兵,等.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012.