超声波清洗机系统设计

目录

1 绪论 (2)

2 方案论证 (3)

2.1 控制器部分设计方案 (3)

2.2 频率调节电路设计方案 (3)

3 系统设计方框图 (3)

4频率产生电路设计 (4)

4.1 SG3525芯片介绍 (4)

4.2 SG3525原理 (4)

4.3 SG3525应用电路 (7)

5功率调节电路设计 (8)

5.1 所用芯片介绍 (8)

5.2 PWM工作原理 (8)

5.3 输出电流采样 (9)

5.4 单片机控制系统 (9)

5.4.1 ATMEGA16L介绍 (9)

5.4.2 单片机最小系统 (11)

6 键盘电路 (11)

7 显示电路 (12)

8 功放电路 (13)

9 软件控制系统 (13)

10 结束语 (14)

致谢 (15)

参考文献 (16)

附录一电路原理图.................................. 错误！未定义书签。附录二程序清单. (18)

1 绪论

随着社会的发展，科技的进步，人们的要求也是越来越高，不仅要求产品拥有先进的技术，还要求产品外观具有一定的美观舒适经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。

清洗是指清除工件表面的液体或固体污染物，使工件表面达到一定的洁净。清洗过程在日常生活中非常常见。清洗过程是清洗介质、污染物、工件表面三者之河的相互作用，是一种复杂的物理、化学作用过程。清洗不仅与污染物的性质、种类、形态以及粘附的程度有关，也与清洗介质的理化性质、清洗性能、工件材质、表面状态有关，还与清洗的条件如:温度、压力以及附加的超声振动、机械外力等因素有关。

超声技术出现在二十世纪初期。近一个世纪的发展表明，超声技术是声学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。1995年9月在德国召开的首届世界超声学大会，集中体现了超声学发展的这、一强劲协头。超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，目前在工业、国防、医药卫生和环境保护各个领域得到广泛的应用。在国民经济中，对于提高产品质量，保障生产安全和设备的安全运行，降低生产成本，提高生产效率具有特别的潜在能力。因此，我国在近十年来，对超声技术的研究与应用十分活跃。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声波作为一种能量形式，通过它或它引起的超声空化，与传声媒介相互作用而产生的种种效应，已经在物理、化学、生物以及医药等基础研究和应用技术开发中展示出十分广阔的前景。利用超声的高频率、大功率以及高强度去改变作为媒介的物质的特性，采用合适的声参数和声波形会产生其他手段所达不到的效果。超声对媒介具有机械作用、热作用、生物医学作用以及化学作用等。用超声波使物体或物性变化的功率应用称功率超声。功率超声是超声学中，研究超声能量对物质进行处理的一个学科分支。目前，超声技术的研究和应用的范围，已经从船舶、冶金、机械等领域扩大到二十多个工业部门，并取得了很好的社会效益和经济效益。将被清洗零件浸没在清洗液中，向清洗液辐射超声，并产生空化，由空化气泡运动产生的微冲击流或由气泡崩塌产生的高强度冲击波，作用于附着在零件表面上以及零件表面微孔、细缝中的污垢，促使这些污垢脱落或加速溶解，从而达到情洗的目的。这种清洗方法叫做超声清洗。超声清洗是一种清洗硬物体表面的方法，属物理清洗。超声清洗是功率超声应用的一项。在液体中加入超声波震动的能量，产生空化作用，丝用于清洗、乳化。其特点是速度快、质量高、易于实现自动化。在各种化学的、物理的、机械的清洗方法中，超声清洗是最理想、最有效的一种。超声清洗特别适用于清洗表面形状复杂的_L件，如对于精密工件上的孔穴，狭缝，凹槽、微孔以及暗洞等处，通常的物理洗刷方法难以奏效，利用超升清洗则可以取得理想的效果。在某些场合中，还可利用水剂代替有机湃液作为清洗液才进行清洗，或适当降低清洗液的酸碱度，达到保护被洗涤物的目的。在一些难以清洗并有损人体健康的场合，如对核

工业和医疗中的放射性污物的清洗，可以使用超声清洗设备，必要时可实现遥控或自动化。

2 方案论证

2.1 控制器部分设计方案

在选择微控制器的时候，主要要考虑：处理器的速度，要实现的功能，ROM 和RAM的大小，I/O端口类型和数量，编程语言以及功耗等。

方案一：基于ARM的嵌入式系统。这种方案中我们可以使用现有的操作系统（μCOS-II），在系统的基础上进行应用程序的开发。由于ARM处理器的功能强大，资源丰富，因此使用这种方案可以使系统功能近乎完美，并且由于使用了操作系统，应用程序的设计会变得简单可靠。但是这种方案成本较高，同时使用的嵌入式操作系统也会占用一部分额外的硬件资源，这样会大大的提高开支。目前情况下我们不考虑这种方案。

方案二：目前SoC型单片机已非常普遍，基于51内核的SoC型芯片也有众多供应厂商。例如，国内宏晶科技的STC系列，Cyganl公司的C8051系列。这些单片机都有丰富的片上资源，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。

方案三：采用ATMEGA16L单片机作为核心控制器，此单片机内部的数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）及其引脚资源，基本上能实现设计指标，并且价格便宜，学习资料多。

由于ATMEGA16L单片机功能符合设计需求，采用ATMEGA16L单片机作为控制器也基本能够满足要求，因此综合考虑选用方案三。

2.2 频率调节电路设计方案

频率控制有两种方案；

方案一：手动调节频率，这样会真繁琐，但是对于像清洗机频率不用经常调节，单片机的控制程序也会很简单，节省能耗。

方案二：自动频率调节，这样就不用人为的去调节，使清洗机始终工作在最佳状态，但是比较费电，再者就是程序复杂，多用于一些比较高端的超声波的产品中。

由于本设计的清洗机就处理金属工具表面的杂质，因此考虑多方便因素，就选择第一种方案。

3 系统设计方框图

超声波清洗机系统的主要由频率产生电路、频率调节电路、功放电路、显示电路、键盘电路等几部分组成。方框图如图1所示。频率产生电路主要作用是为整个系统提供以33KHz或38KHz为中心的工作频率，键盘电路主要作用是用于控制整个系统的控制模式。频率调节电路主要作用是自动调节整个系统的工作频率，是整个系统工作在最大效率范围内。显示电路主要作于是显示整个系统的工作频率以及输出电流和输出功率。功放电路主要作用是对频率调节电路输出的频率进行功率放大，以推动换能器正常工作。

图1 控制系统方框图

4频率产生电路设计

4.1 SG3525芯片介绍

SG3525采用双极型工艺制作的新型模拟数字混合电路，性能优异，所需外围器件较少，主要特点是：输出及采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调。每一通道的驱动电流最大值可达200mA ，灌拉电流峰值可达500mA ，可直接驱动MOS 管，工作频率可高达400KHz ，具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。该电路有基准电源、振荡器、误差放大器、PWM 比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动级关断电路等电路，基准电压为 5.1V ，工作电压范围很宽，为8V 到35V 。它是电流控制型电流控制型脉宽调制器，所谓电流控制型电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。SG3525的管脚及功能如表1所示。

4.2 SG3525原理

该电路用SG3525是来产生范围在32～39KHz 之间，中心频率在35KHz 左右的高频信号，用来对整个清洗机进行频率范围的控制，从而对整个系统进行工作过程的控制，完成整个清洗机的控制，使清洗机的工作频率始终保持在一个稳定的范围内，使清洗机正常工作，保证整个系统的正常运行。芯片的主要作用就是产生一个一定范围内的符合工作需要的频率信号用来往后面的电路输送，从而对整个系统进行工作过程的控制。

SG3525 引脚功能及特点简介

1.Inv.input(引脚 1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环 系统中，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。 键盘电路

频率调节电路 功放电路

显示电路

频率产生电路

2.Noninv.input(引脚 2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚 9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

3.Sync(引脚 3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4.OSC.Output(引脚 4)：振荡器输出端。

5.CT(引脚 5)：振荡器定时电容接入端。

6.RT（引脚 6）：振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge(引脚 7)：振荡器放电端。该端与引脚 5 之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

8.Soft-Start(引脚 8)：软启动电容接入端。

https://www.360docs.net/doc/1915178731.html,pensation(引脚 9)：PWM 比较器补偿信号输入端。在该端与引脚 2 之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10.Shutdown(引脚 10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11.Output A（引脚 11）：输出端 A。引脚 11 和引脚 14 是两路互补输出端。

12.Ground(引脚 12)：信号地。

13.Vcc(引脚 13)：输出级偏臵电压接入端。

14.Output B（引脚 14）：输出端 B。引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。

15.Vcc（引脚 15）：偏臵电源接入端。

16.Vref(引脚 16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

SG3525特点如下：

（1）工作电压范围宽：8—35V。

（2）5.1（1 1.0%）V 微调基准电源。

（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz

（4）具有振荡器外部同步功能。

（5）死区时间可调。

（6）内臵软启动电路。

（7）具有输入欠电压锁定功能。

（8）具有 PWM 琐存功能，禁止多脉冲。

（9）逐个脉冲关断。

（10）双路输出（灌电流/拉电流） mA(峰值)。

表1 SG3525管脚与功能表

编号功能

1 误差放大器反向输入端

2 误差放大器同向输入端

3 振荡器外接同步信号输入端

4 振荡器输出端

5 振荡器定时电容接入端

6 振荡器定时电阻接入端

7 振荡器放电端

8 软启动电容接入端

9 PWM比较器补偿信号输入端

10 外部关断信号输入控制端

11 输出端A

12 信号地

13 输出级偏臵电压输入端

14 输出端B

15 输出电源接入端

16 基准电源输出端

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。内部框图如图2所示.

SG3525内臵了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在振荡器定时电容接入端和振荡器放电端之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

图2 SG3525内部结构图

SG3525的软启动接入端上通常接一个软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM 比较器反向输入端处于低电平，PWM 比较器输出高电平。此时，PWM 琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使软启动电容接入端处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM 比较器输出为正的时间变长，PWM 琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。

外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当外部关断信号输入控制端上的信号为高电平时，PWM 琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，外部关断信号输入控制端不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。

欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。

此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM 脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM 琐存器才被复位。

4.3 SG3525应用电路

R8、C2、R30为SG3525的定时电容和定时电阻，用于控制SG3525输出的基准PWM 的频率，SG3525的锯齿波有SG 的锯齿波有RT 和CT 产生，锯齿波频率由下面公式给出：

T

D T T C R R f )37.0(1+= T f 为时钟频率（KHz ）

； T R 为外接电阻（K ）

； T C 为外接电容（uF ）

； R D 为引脚6、7间跨接的电阻值。

图3 SG3525应用电路