農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)8頁(yè)

1、第1頁(yè)農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)時(shí)間：2010-10-05 07:49:01 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：秦玉霞 余建明 程巖崔根群自 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們 解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭?guī)粤税l(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷 史篇章。超聲波發(fā)生器的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展相伴相生，應(yīng)用十分廣泛，本設(shè)計(jì)的超 聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一系列處理電路的作用后生成用來(lái) 殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農(nóng)業(yè)上加以采用。在此對(duì)3 個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）信號(hào)發(fā)生模塊。12 MHz 的 8051 單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計(jì)。（2）

2、信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（CD4069 非門集成芯片）；倍頻電路設(shè)計(jì)（S9014 或 ECGI08 三極管、104 普通電容、11 257 . 9 nH 自制電感、1 kQ電阻）；整 波電路設(shè)計(jì)（CD4069 非門集成芯片）；和頻電路設(shè)計(jì)（CD4081 與門集成芯片）；選頻電 路設(shè)計(jì)（S9014 或 ECGl08 三極管、104 普通電容、112. 58 nH 自制電感、1 kQ電阻）。（3）信號(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字示波器的連接。在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：220 VAC（50 Hz）;幵關(guān)頻率：1. 51. 8 MHz；最大的輸出功率：500 W 功率

3、范圍：50500Wo1 信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)選取一個(gè) 8051 單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I/O 口資源進(jìn)行相第2頁(yè)應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯：用 P3. 2 口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否，用PO. O 口、P0. 1口發(fā)射初始信號(hào)，如圖 1 所示。2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)2. 1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如果將兩列波（0 . 03 MHz 直接從單片機(jī)的輸出口 PO O 和 P0. 1 輸出接入后 面的5 倍頻電路，可能會(huì)由于電流小而不能驅(qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來(lái)考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，如圖 2 所示。在單片機(jī)

4、的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門，而后接入由 4 個(gè)非門并聯(lián)的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻 電路的信號(hào)能量大大提高，起到驅(qū)動(dòng)電路的功能（若用方波發(fā)生器來(lái)代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路）。2. 2 倍頻電路的設(shè)計(jì)根據(jù)電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)知識(shí)可以由已知條件得出:如圖 3 所示，當(dāng)在 LC 并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，由電路的特性可知:_ （十 4 （1/jM）=* I_“+泌）+（1 力嵐一莎:-1 應(yīng)+（也斥=爲(wèi)厲第3頁(yè)并聯(lián)諧振具有下列特征:諧振時(shí)電路的阻抗摸為|Zo|=1 /（RC/L）=L/RC 其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓 U 一定的情況下，電路

5、中的電流 I 將在諧振時(shí) 達(dá)到最小值，即 l=IO=U / (L /RC)=U/ |Zo|。(2) 由于電源電壓與電路中電流同相(少=0)，因此電路對(duì)電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。(3) 諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為：IL=U/2nfoL ; Ic=U/(1 /2nfoC)，可見(jiàn) IL=lclo ，品質(zhì)因數(shù) Q=IL/Io。(4) 當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，電路阻抗摸最大，電流通過(guò)時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓 也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質(zhì)因數(shù)Q 值越大，選擇性越強(qiáng)。通常把晶體管的輸出特性曲線分為3 個(gè)

6、工作區(qū)：(1) 放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=BIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)?Ic 和 Ib 成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí)，發(fā)射 結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對(duì)NPN 型管來(lái)說(shuō)，應(yīng)使 UbeO UbcvQ(2) 截止區(qū)。lb=0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。lb=0 時(shí)，lc=lceo。對(duì) NPN 型硅管而言，當(dāng) UbeO 5 V 時(shí)，即已經(jīng)幵始截止，但是為了截止可靠，常使 UbeO 截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。(3) 飽和區(qū)。當(dāng) UcefO 且 1fl / f0fl 且 1fO/fl2 的情況)， max 二 maxjfO。將兩方波 b(t)

7、和 x(t)加到與門的輸入端(相乘)，則產(chǎn)生 b(t) x(t)的輸出。兩個(gè)方波按偶函數(shù)展幵為：根據(jù)傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為21 周期函數(shù) f(x)滿足收斂定理?xiàng)l件，則它的傅里葉級(jí)數(shù)展幵式為：f(x) = 30/2 + 為(anxcos nnx/l + Axsin nnj：/l) x cb(t)cos anit cos=2lti90WS(011COS3QJIt + y CO$ 5沖一= y +呂 D*2kW贛=2TT*a)：n Zizfi4 0 ( IT 尹芻 2TF11)*2-JCO5(2+ 1 )wa +切-I cosf (2i + 1+ (2J + I+ cos(2i + l)ao1)

8、第8頁(yè)a = l/l /(x)cos nnJc/lAjCf rt = 01 *2 Jr = l/J/(j；)sin nnx/lAx. n = 1*嚴(yán)c = xj/(x) = 1/2 LfCx-) + /(x+)當(dāng)/Q為奇函數(shù)時(shí)：/(JT)二 bjcsin nnxflx W c)其中書b = 2/1 /(jr)sin njtJr/Zdx w = 1*2當(dāng) f(Q為偶函數(shù)時(shí)：八少=10/2 + ya xcos nnx/l (x c)其中：心 n 2/Z /Cr)cos 算疋 r/Zdx* n = 02 J： 0, AHO 異=20 x 21/2 Acos 加工/2 応=t/jixsin nxjr/

9、2 = 05n= 1/2 (后 in nn-r/2)(h：= CC/rt)ircos卉兀工/2 2h/w?rtn= 1,3.5# 0.n = 2,4T6*則；fix= i/2 + 2上/齊對(duì)口 wx/2 + (1/3)sin3xx/2+ (l/5)sin 5xr/2+假設(shè)有兩列波:方波 1 可表示為: sin 3 1t+(1/3)sin3 3 1t+(1/5)sin5 3 1t+ 方波 2 可表示為：sin32t+(1/3)sin332t+(1/5)sin532t+假設(shè)一個(gè)方波函數(shù)匸第9頁(yè)方波 1 乘以方波 2 就為31 +32波。本實(shí)驗(yàn)中方波 1(0 . 15 MHz)與方波 2(0 . 1

10、5 MHz)經(jīng)過(guò)與門后就變成 0. 3MHz(0. 15MHZ+0 15MHz 的方波，如圖 8 所示。由非門輸出的信號(hào)頻率即在 A5 點(diǎn)(0. 15MHz 或 A6 點(diǎn)(0 . 15MHz 經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率為 O. 3 MHz 的方波(即在 A7 點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖 9 所示。2 . 5 選頻電路的設(shè)計(jì)在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的 5 倍頻選頻電路和 5 倍頻倍頻電路的原理相同，如圖 10 所 示。由與門輸出的信號(hào)頻率即在 A7 點(diǎn)(O . 3 MHz)經(jīng)過(guò) 5 倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為 1. 5 MFIz，仿真結(jié)果如圖 11 所示。2 . 6 整體電路的設(shè)計(jì)整體電路如圖 12 所

11、示。由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在 A1 點(diǎn)或 A2 點(diǎn)(O . 03 MHz) 經(jīng)由 5 倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5 倍即為 A3 點(diǎn)或 A4 點(diǎn)(0 . 15MHz);經(jīng)由 2 個(gè)非門后(即在 A5 點(diǎn)或 A6 點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波；由非門輸出的信號(hào) 頻率即在 A7 點(diǎn)應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率相加的方波(O. 3 MHz);由與門輸出的信號(hào)頻率即在 A7 點(diǎn)經(jīng)過(guò) 5 倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1. 5MHz(A8 點(diǎn))，仿真結(jié)果如圖 13 所示。3 信號(hào)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中由信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出0. 03 MHz 初始信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊后是否達(dá)到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊檢測(cè)最終信號(hào)是否達(dá)到1. 51_8 MHz 的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，經(jīng)過(guò)查看圖形，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求， 如圖 14所示。第10頁(yè)4 結(jié)語(yǔ)本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的農(nóng)用超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩(wěn)定。該超聲波發(fā)生器不僅可以在農(nóng)業(yè)上用來(lái)殺滅水蚤，而且可以一