超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)

1、超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）摘要超聲清洗技術(shù)的機(jī)理研究及設(shè)備開(kāi)發(fā)與超聲清洗工藝研究及應(yīng)用在我國(guó)已有近50年的歷史 ,幾乎是與國(guó)外同步進(jìn)行的。超聲清洗屬于物理力清洗，其本身為綠色清洗。超聲清洗與現(xiàn)代科技發(fā)展及先進(jìn)制造工藝密切相關(guān)， 目前屬于超聲波中應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子、輕工、紡織、化工、航空航天、船舶、原子能以及醫(yī)療醫(yī)藥等工業(yè)部門(mén)。 目前很多工業(yè)產(chǎn)品的清洗密度要求高、盲孔多、清洗難度大，普通清洗方法很難奏效，超聲清洗則可以很好的解決這些難題。此次設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于表面復(fù)雜的器件進(jìn)行清洗， 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心器件，可以

2、通過(guò)按鍵對(duì)清洗時(shí)間進(jìn)行設(shè)定 ,通過(guò) LED 數(shù)碼管進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。該產(chǎn)品是一種機(jī)電產(chǎn)品， 通過(guò)壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，在液體中產(chǎn)生超聲波振動(dòng)進(jìn)行清洗。 利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個(gè)清洗介質(zhì)振動(dòng)并產(chǎn)生空化氣泡， 該清洗方式對(duì)任何生活用具不存在清洗不到的死角， 且清洗潔凈度非常高。本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的使用價(jià)值和意義。關(guān)鍵詞：超聲波清洗，換能器，清潔度;I青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）AbstractMechanism of ultrasonic cleaning technologyand equipment develop

3、ment 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

4、 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 indus

5、trial 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 ismainly used for cleaning the surface of complex devices ,

6、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

7、 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 cleanlin

8、ess is very high. The system is reliable, practical, and has a certain value and significance.Keywords: Ultrasonic cleaning, transducer, cleanliness;II青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）目錄摘要I1 緒論11.1 超聲波發(fā)展概況11.2 超聲波清洗器的應(yīng)用范圍11.3 超聲波清洗的特點(diǎn)21.4 設(shè)計(jì)背景和意義32 系統(tǒng)論述52.1 超聲波清洗原理52.2 IGBT 簡(jiǎn)介62.3 三極管放大原理82.4 推挽放大器工作原理介紹102.5

9、 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定123 軟件設(shè)計(jì)133.1 主程序設(shè)計(jì)133.2 子程序設(shè)計(jì)144 硬件的設(shè)計(jì)164.1 單片機(jī)的選擇164.2 超聲波發(fā)生、換能器的選擇194.3 電源模塊的設(shè)計(jì)214.4 波形轉(zhuǎn)換模塊224.5 放大模塊224.6 顯示與鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)244.7 清洗槽的設(shè)計(jì)26結(jié)論28致謝29參考文獻(xiàn)30附錄31青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）緒論1.1 超聲波發(fā)展概況自 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，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。 1922 年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超

10、聲波治療的發(fā)明專利； 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。 40 年代末期超聲治療在歐美興起，直到 1949 年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1956 年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段。超聲波國(guó)內(nèi)發(fā)展史：國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi)展超聲治療工作，從 1950 年首先在北京開(kāi)始用 800KHz 頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至 50 年代開(kāi)始逐步推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道始見(jiàn)于 1957 年。到了 70 年代有

11、了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國(guó)各大型醫(yī)院。 40 多年來(lái)，全國(guó)各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。特別是 20 世紀(jì) 80 年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。如今已在國(guó)際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。高強(qiáng)度聚焦超聲無(wú)創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。而在 21 世紀(jì)超聲聚焦外科已被譽(yù)為是 21 世紀(jì)治療腫瘤的最新技術(shù)。1.2 超聲波清洗器的應(yīng)用范圍在所有的清洗方式中，超聲波清洗是效率最高、效果最好的一種，之所以超聲波清洗能夠達(dá)到如此的效果，是與它獨(dú)特的工作原理和清洗方法密切相關(guān)的。我們知道，在生產(chǎn)和生活當(dāng)中，需要清潔的東西很多，

12、需要清洗的種類和環(huán)節(jié)也很多，如：物 件的 清 除 污染物，疏通細(xì)小孔洞，常見(jiàn)的手工清洗方法對(duì)異型物件以及物件隱蔽處無(wú)疑無(wú)法達(dá)到要求，即使是蒸汽清洗和高壓水射流清洗也無(wú)法滿足對(duì)清潔度較高的需求，超聲波清洗對(duì)物件還能達(dá)到殺滅細(xì)菌、溶解有機(jī)污染物、防止過(guò)腐蝕等，因此，超聲波清洗被日益廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)：（ 1）機(jī)械行業(yè)：防銹油脂的去除；量具的清洗；機(jī)械零部件的除油除銹；發(fā)動(dòng)機(jī)、化油器及汽車零件的清洗；過(guò)濾器、濾網(wǎng)的疏通清洗等。有防銹清洗機(jī) /除油清洗機(jī) /機(jī)械零部件清洗機(jī) /五金件超聲波清洗機(jī) /汽車零部件清洗機(jī) /摩配清洗機(jī) /高壓噴淋清洗機(jī)等相關(guān)清洗機(jī)器。（ 2）表面處理行業(yè)：電鍍前的除油除銹；

13、離子鍍前清洗；磷化處理；清除積炭；清除氧化皮；清除拋光膏；金屬工件表面活化處理等。有鍍膜前清洗機(jī) /鍍膜前處理 /磷化 /鈍化 /電鍍?cè)O(shè)備 /噴涂線等。1青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）3）儀器儀表行業(yè)：精密零件的高清潔度裝配前的清洗等。4）電子行業(yè)：印刷線路板除松香、焊斑高壓觸點(diǎn)等機(jī)械電子零件的清洗等。5）醫(yī)療行業(yè)：醫(yī)療器械的清洗、消毒、殺菌、實(shí)驗(yàn)器皿的清洗等。1.3 超聲波清洗的特點(diǎn)超聲清洗相比其他的清洗方式具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先超聲波清洗的清洗效果好，清潔度高且清洗非常均勻。只要有液體超聲空化泡能到達(dá)的地方，超聲波清洗就能起作用，對(duì)于深孔、細(xì)縫和工件隱蔽處都可以清洗干凈。所以超

14、聲波清洗對(duì)于表面形狀復(fù)雜的工件有很好的清洗效果。對(duì)于對(duì)表面質(zhì)量有嚴(yán)格要求的工件，超聲波清洗往往由于不會(huì)對(duì)表面造成傷害而成為能滿足其技術(shù)要求的唯一的清洗方法。由于超聲波清洗的機(jī)理不同于通常的清洗作用，因此清洗率高達(dá) 90% 以上，具有很好的清洗效果。下圖為超聲波清洗與其他清洗方法的比較。圖 1-1 不同清洗方式的清洗效果對(duì)比其次，超聲波清洗的效率很高。超聲波清洗是一種高效的清洗方法，超聲空化產(chǎn)生的巨大能量可以有效減弱污物對(duì)被清洗工件的依附力，從而使得超聲波清洗具有很高的清洗效率。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合如除油、防銹等方面，超聲波清洗效率相比傳統(tǒng)方法可以提高幾倍到幾十倍。由于超聲波清洗的清洗工作主要由超

15、聲空化來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以有效的降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于能夠?qū)崿F(xiàn)清洗的自動(dòng)化，就可以由少量的工作人員來(lái)完成大批量的清洗工作，大大提高工作效率。這樣一來(lái)超聲清洗的成本也能得到大幅降低。實(shí)際上超聲清洗也是最為經(jīng)濟(jì)的一種清洗方式。最后，超聲清洗可以有效的避免環(huán)境污染。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的清洗工藝?yán)脧?qiáng)酸、強(qiáng)堿的腐蝕性來(lái)達(dá)到清洗的目的，不可避免的造成大量有害的廢水排放。超聲波清洗利用超聲波的空化作用和一般水基清洗劑就可2青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）以達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)清洗的清洗效果，這樣就可以有效的避免環(huán)境污染。1.4 設(shè)計(jì)背

16、景和意義目前，由于環(huán)境保護(hù)的要求，使用清洗劑逐漸成為眾多廠家的首選，這就需要與超聲清洗配合才能取得更好的效果。近 10 年來(lái)，超聲波清洗設(shè)備正在朝兩個(gè)方面發(fā)展。其一是，各種類型的多缸或傳動(dòng)鏈?zhǔn)交蛏凳匠暻逑瓷a(chǎn)線相繼面市；其二是，低頻超聲波清洗機(jī)向高頻超聲波清洗機(jī)的發(fā)展。在美國(guó)、日本、歐洲以及亞太市場(chǎng)上，多缸式超聲波清洗設(shè)備總量已呈明顯上升之勢(shì)，高達(dá)總量的50，而多工位半自動(dòng)、全自動(dòng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)交蛏凳匠暡ㄇ逑淳€體設(shè)備也已上升到總量的40以上。我國(guó)超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成效。一是機(jī)械零部件在電鍍前后的清洗或噴涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、軸承、制動(dòng)器

17、、燃油過(guò)濾器、閥門(mén)的清洗。二是印制電路板、硅片、晶片、元器件殼、座、鐵路系統(tǒng)用的信號(hào)控制繼電器、元器件、連接件、顯像管以及電真空器件等的清洗。三是眼鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)具等光學(xué)系統(tǒng)及取樣玻璃片的清洗。四是醫(yī)用器具、食品、制藥、生化等試驗(yàn)中所用各種瓶罐的清洗。五是噴絲頭、精密模具、精密橡膠件、珠寶工藝品等的清洗。我國(guó)現(xiàn)有各類超聲波清洗設(shè)備制造企業(yè)近40 家，但其分布主要集中在東南沿海地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，沿海地區(qū)的廠家占全國(guó)總數(shù)的 85，可見(jiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用不但在先，而且廣泛，普及程度高，同時(shí)，這又證明超聲波清洗技術(shù)在中西部地區(qū)推廣普及的前景十分廣闊。就產(chǎn)品水平而言，當(dāng)代產(chǎn)品與

18、 20 世紀(jì) 7080 年代的產(chǎn)品相比，技術(shù)進(jìn)步也十分明顯。近年來(lái)，由于對(duì)汽車制動(dòng)器生產(chǎn)線、冰箱壓縮機(jī)生產(chǎn)線的傳統(tǒng)清洗工藝實(shí)行技術(shù)改造，擬采用超聲波清洗工藝。在國(guó)外汽車底盤(pán)架、轎車外殼噴涂前的超聲波清洗，配合專用清洗液，將除銹、去氧化膜及磷化一次清洗處理完成，烘干后即可噴漆等都有了新的應(yīng)用和發(fā)展。美國(guó) Dvpont 公司在新澤西州制藥廠的應(yīng)用報(bào)告稱： 超聲波清洗能除去反應(yīng)罐或化學(xué)處理桶殼表面的污物，比用普通方法節(jié)約能源，費(fèi)用低且減少環(huán)境污染，清洗過(guò)程簡(jiǎn)單，只要在容器中灌滿水，加熱到 65，并加入 2的表面活性劑，進(jìn)行處理 24h，即可清洗干凈。歐洲的一些廠家曾清洗過(guò)各種的罐，以前用甲醇加熱到沸

19、點(diǎn)一次處理48h，總共要進(jìn)行 5 次清洗才能達(dá)到要求，而且超聲波清洗只需要一次處理即能達(dá)到要求，既節(jié)省溶劑，提高效率，又減少環(huán)境污染。隨著超聲波清洗設(shè)備的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，各種經(jīng)過(guò)不斷完善和改進(jìn)的新穎超聲波清洗設(shè)備正在取代已面市的老式設(shè)備。3青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）兆赫超聲波清洗技術(shù)是指采用頻率 700kHz 2MHz 的超聲波進(jìn)行清洗。 清洗系統(tǒng)一般由壓電換能器、清洗容器和清洗液、高頻電功率發(fā)生器及控制電路等組成，對(duì)于某些特定的清洗對(duì)象，有時(shí)還配有熱空氣烘干、專用清洗架及清洗液的過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)。兆赫超聲波清洗技術(shù)的主要特點(diǎn)，一是避免了高光潔度物體的表面損傷；二是可除去附

20、著在表面的亞微米大小的顆粒；三是浸入液體中，面向換能器的一面能被洗凈，所以要進(jìn)行兩面清洗。目前，國(guó)外市場(chǎng)上已有商用的兆赫超聲波清洗設(shè)備。美國(guó)Verteq、 Imtec、ProSys公司已開(kāi)發(fā)出這類設(shè)備用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，在對(duì) 100300mm 硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到 015m的微小顆粒，而且可加快漂洗過(guò)程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附著。兆赫超聲波清洗是國(guó)外許多大規(guī)模集成電路制造廠家生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。4青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）系統(tǒng)論述2.1 超聲波清洗原理在超聲波清洗中起主要作用的是超聲波空化作用。超聲波在液體中傳播時(shí)，超聲波使液體產(chǎn)生大量的微

21、小氣泡，即空化氣泡。空化氣泡在超聲波傳播的負(fù)相區(qū)內(nèi)形成、生長(zhǎng)，而在超聲的正相區(qū)內(nèi)閉合、崩潰。在空化氣泡崩潰瞬時(shí)氣泡內(nèi)可形成高達(dá)數(shù)百乃至上千個(gè)大氣壓， 瞬時(shí)溫度可達(dá) 5000K 以上。超聲清洗主要依靠位于清洗工件表面或附近的空化氣泡來(lái)完成。具體的清洗過(guò)程則因工件上沾染污物的性質(zhì)不同而不同，例如穩(wěn)態(tài)空化和微聲流可以在工件表面處提供一種溶解機(jī)制而使可溶性沾染物溶解。對(duì)于不可溶解的污染物，在污染層與工件表面之間的穩(wěn)態(tài)空化氣泡可以使污層脫落。穩(wěn)態(tài)空化和微聲流還有助于水溶液中的油脂乳化，瞬態(tài)空化也有可能將污物層擊碎而將其剝落。超聲空化的主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）存在于液體中的微氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作

22、用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速變大，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生的沖擊水波能在其周圍產(chǎn)生上千大氣壓的壓力，破壞不溶性污物而使他們分散在清洗液中。（2）蒸汽型空化對(duì)污物層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞了污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會(huì)引起污物層的疲勞破壞而與清洗件表面脫離。（3）氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行摩擦，超聲空化氣泡可以 “鉆入 ”裂縫中做振動(dòng)，使污層脫落。例如，工件上有氧化物層既可以比較輕易被氣泡剝離。（4）對(duì)于有油污包裹住的固體粒子，由于超聲波空化的作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，固體粒子將脫落。（5）空化氣泡本身在振蕩過(guò)程中，將伴隨著一系列二階現(xiàn)象發(fā)生，如輻射扭力

23、。輻射扭力在均勻液體中作用與液體本身，從而導(dǎo)致液體本身的環(huán)流，稱之為聲流。這個(gè)聲流可以作用于量級(jí)較大的范圍，也可限于量級(jí)較小的范圍內(nèi)，后者被稱為微聲流，微聲流可以使振動(dòng)氣泡表面處在很高的速度梯度和粘滯力作用下，這種應(yīng)力有時(shí)高達(dá)100MPa 以上，足以使工件表面污物造成破壞而使其脫落。（6）超聲空化在固體和液體界面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠除去或消弱邊界污層，增加攪拌作用，加快可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外，清洗液本身的振動(dòng)還會(huì)對(duì)清洗做出很大的貢獻(xiàn)。超聲波在清洗液中傳播時(shí)將引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移，相當(dāng)于工件表面在每秒鐘接受數(shù)萬(wàn)次上百個(gè)大氣壓5青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論

24、文）的強(qiáng)烈沖擊。事實(shí)上，在清洗槽中更接近于混響場(chǎng)，可能使這一過(guò)程更加激烈。2.2 IGBT 簡(jiǎn)介IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT( 雙極型三極管 )和 MOS( 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 )組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大； MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。 非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的

25、變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。圖 2-1 N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管上圖所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極 （即發(fā)射極 E）。P+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門(mén)極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E 兩極之間的P 型區(qū)（包括P+和 P- 區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū) （Drain injector），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向

26、漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于6青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來(lái)為 NPN)晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N-溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+基極注入到 N-層的空穴（少子），對(duì) N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N-層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓

27、。IGBT 是一種電壓型控制器件， 它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小， 可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。 IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓 UGE 來(lái)控制的，當(dāng) UGE 大于開(kāi)啟電壓 UGE（th）時(shí) IGBT 導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)， IGBT 被關(guān)斷。與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究 IGBT 的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開(kāi)通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭在設(shè)計(jì)IGBT 驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。1）柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增

28、大時(shí)， IGBT 的導(dǎo)通電阻下降，使開(kāi)通損耗減??；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC 隨 UGE 增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門(mén)控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小會(huì)使 IGBT 退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT 過(guò)熱損壞；使用中選 12VUGE18V 為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT 誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5V 為宜。另外， IGBT 開(kāi)通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使 IGBT 在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。2）IGBT 快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電

29、感負(fù)載下 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT 或其他元器件被擊穿。3）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG 和柵射電容 CG 對(duì) IGBT 的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG 較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞 IGBT ；RG 較大，有利于抑制dvce dt，但會(huì)增加 IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。合適的 CG 有利于抑制 dicdt，CG 太大，開(kāi)通時(shí)間延時(shí)， CG 太小對(duì)抑制 dicdt 效果不明顯。4）當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受 IGBT 和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象

30、發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。7青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）2.3 三極管放大原理三極管是一種控制元件，主要用來(lái)控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地） ，當(dāng)基極電壓 UB 有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流 IB 也會(huì)隨之有一小的變化，受基極電流 IB 的控制，集電極電流 IC 會(huì)有一個(gè)很大的變化，基極電流 IB 越大，集電極電流 IC 也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極

31、電流的變化比基極電流的變化大得多， 這就是三極管的放大作用。 IC 的變化量與 IB 變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù) （ = IC/ IB, 表示變化量。），三極管的放大倍數(shù)一般在幾十到幾百倍。三極管在放大信號(hào)時(shí)，首先要進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，即要先建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，也叫建立偏置，否則會(huì)放大失真。圖 2-2 三極管放大圖以 NPN 型硅三極管為例，我們把從基極 B 流至發(fā)射極 E 的電流叫做基極電流 Ib; 把從集電極 C 流至發(fā)射極 E 的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極 E 上就用了一個(gè)箭頭來(lái)表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制

32、(假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話 )，并且基極電流很小的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的 倍，即電流變化被放大了 倍，所以我們把 叫做三極管的放大倍數(shù) ( 一般遠(yuǎn)大于 1，例如幾十，幾百 )。如果我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟發(fā)射極之間，這就會(huì)引起基極電流 Ib 的變化， Ib 的變化被放大后， 導(dǎo)致了 Ic 很大的變化。如果集電極電流 Ic 是流過(guò)一個(gè)電阻 R 的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式 U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來(lái)，就得到了放大后的電壓信號(hào)了。8青島理工大學(xué)琴島學(xué)院

33、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)，還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因：首先是由于三極管BE 結(jié)的非線性 (相當(dāng)于一個(gè)二極管 )，基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生(對(duì)于硅管，常取 0.7V) 。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于 0.7V 時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號(hào)往往遠(yuǎn)比 0.7V 要小，如果不加偏置的話，這么小的信號(hào)就不足以引起基極電流的改變(因?yàn)樾∮?0.7V 時(shí)，基極電流都是 0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一個(gè)合適的電流 (叫做偏置電流，上圖中那個(gè)電阻 Rb 就是用來(lái)提供這個(gè)電流的，所以它被叫做基極偏置電阻 )，那么當(dāng)一個(gè)小信

34、號(hào)跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會(huì)被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號(hào)范圍的要求，如果沒(méi)有加偏置，那么只有對(duì)那些增加的信號(hào)放大，而對(duì)減小的信號(hào)無(wú)效 (因?yàn)闆](méi)有偏置時(shí)集電極電流為 0，不能再減小了 )。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時(shí)，集電極電流就可以減小 ;當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí)，集電極電流就增大。這樣減小的信號(hào)和增大的信號(hào)都可以被放大了三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因?yàn)槭艿诫娮?Rc 的限制 (Rc 是固定值，那么最大電流為 U/Rc，其中 U 為電源電壓 )，集電極電流是不能無(wú)限增加下去的。當(dāng)基極電流

35、的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時(shí)，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是： Ib* Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來(lái)當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0 時(shí)，三極管集電極電流為 0(這叫做三極管截止 )，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi) ;當(dāng)基極電流很大， 以至于三極管飽和時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開(kāi)關(guān)管。如果我們?cè)谏厦孢@個(gè)圖中，將電阻 Rc 換成一個(gè)燈泡，那么當(dāng)基極電流為 0時(shí)，集電極電流為 0，燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí) (大于流過(guò)燈泡的電流除以三極管的

36、放大倍數(shù) )，三極管就飽和，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的 分之一大一點(diǎn)就行了，所以就可以用一個(gè)小電流來(lái)控制一個(gè)大電流的通斷。如果基極電流從 0 慢慢增加，那么燈泡的亮度也會(huì)隨著增加 (在三極管未飽和之前 )。但是在實(shí)際使用中要注意，在開(kāi)關(guān)電路中，飽和狀態(tài)若在深度飽和時(shí)會(huì)影響其開(kāi)關(guān)速度，飽和電路在基極電流乘放大倍數(shù)等于或稍大于集電極電流時(shí)是淺度飽和，遠(yuǎn)大于集電極電流時(shí)是深度飽和。因此我們只需要控制其工作在淺度飽和工作狀態(tài)就可以提高其轉(zhuǎn)換速度。9青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）對(duì)于 PNP 型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN 的剛好相

37、反，因此發(fā)射極上面那個(gè)箭頭方向也反了過(guò)來(lái)變成朝里的。2.4 推挽放大器工作原理介紹功率放大電流的特點(diǎn)(1)為得到需要的輸出功率，電路須選集電極功耗足夠大的三極管，功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設(shè)計(jì)使用中首先要考慮怎樣充分地發(fā)揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態(tài)常接近極限值，所以功放電流調(diào)整和使用時(shí)要小心，不宜超限使用。(2)從能耗方面考慮，功放輸出的功率最終是由電源提供的，例如收音機(jī)中功放耗電要占整機(jī)的 2/3，因此要十分注意提高電路效率，即輸出功率與耗電功率的比值。(3)功放電路的輸入信號(hào)已經(jīng)幾級(jí)放大，有足夠強(qiáng)度，這會(huì)使功放管工作點(diǎn)大幅度移動(dòng)，所以要求功放電路有較

38、大的動(dòng)態(tài)范圍。功放管的工作點(diǎn)選擇不當(dāng)，輸出會(huì)有嚴(yán)重失真。常用功率放大電路的原理單只三極管輸出的功放電路輸出小、效率低，日用電器中已很少見(jiàn)。目前常采用的是推挽電路形式。下圖是用耦合變壓器的推挽電路原理圖。它的特點(diǎn)是三極管靜態(tài)工作電流接近于零，放大器耗電及少。有信輸入時(shí)，電路工作電流雖大，但大部分功率都輸出到負(fù)載上，本身?yè)p耗卻不大，所以電源利用率較高。這個(gè)電路中每只三極管只在信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通工作，為避免失真，所以采用兩只三極管協(xié)調(diào)工作的方式。圖中輸入變壓器B1 的次級(jí)有一個(gè)接地的中心抽頭。在音頻信號(hào)輸入時(shí)，B1 次級(jí)兩個(gè)大小相等、極性相反的信號(hào)分別送到BG1 和 BG2 的發(fā)射結(jié)。在輸入信號(hào)的

39、正半周時(shí)間里，BG1 管因加的是反向偏壓而截止，只有 BG2 能將信號(hào)放大，從集電極輸出；而在信號(hào)負(fù)半周， BG1 得到正高偏壓，能將這半個(gè)周期的信號(hào)放大輸出，而 BG2 卻截止。電路中的兩只三極管雖然各自放大了信號(hào)的半個(gè)同期，但它們的輸出電流是分先后通過(guò)輸出變壓器 B2 的，所以在 B2 的次級(jí)得到的感應(yīng)電流又能全成一個(gè)完整的輸出信號(hào)。10青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）圖 2-3 耦合變壓器的推挽電路原理圖這個(gè)功放電路中，為了解決阻抗匝配和信號(hào)相位等問(wèn)題，輸入與輸出變壓器是不可少的。但是，優(yōu)質(zhì)變壓器的制作在材料和工藝上都比較困難，它本身總還要消耗一部分能量，降低電路的效率，而

40、且變壓器的頻率特性不好，使電路對(duì)不同頻率信號(hào)輸出很不均勻，會(huì)造成失真，所以為了提高功放質(zhì)量，人們更多地使用無(wú)變壓器（ OTL ）功率放大電路。下圖是互補(bǔ)對(duì)稱推挽功放電路原理圖。這里用了兩只放大性能相同，而導(dǎo)電極相反的三極管（稱為互補(bǔ)管）。圖中BG1 是 NP 管。放大器輸入交流信號(hào)的正半周時(shí)，對(duì) BG1 管來(lái)說(shuō)，基極電壓為正極性，發(fā)射極為負(fù)極性，發(fā)射結(jié)有正向偏壓，三極管能夠工作。但 BG2 卻因發(fā)射結(jié)加了反向偏壓而截止。因此，信號(hào)的正半周由 BG1 管放大。在信號(hào)負(fù)半周時(shí)， 情形正相反， BG2 管能夠工作，將信號(hào)的負(fù)半周放大。放大后的信號(hào)由兩只三極管輪流送出，在揚(yáng)聲器上重新合成完整的信號(hào)。圖

41、 2-4 互補(bǔ)對(duì)稱推挽功放電路原理圖實(shí)際電路分析推挽電路中的兩只三極管各放大信號(hào)的半個(gè)周期，這就要求兩管放大性能相近（ 值相差 10% 以內(nèi)），否則放大后的信號(hào)兩半周期幅度不同，將出現(xiàn)明顯失真。交越失真也是推挽電路的特有問(wèn)題。象上面原理圖中的三極管都沒(méi)有加靜態(tài)偏流，在輸入信號(hào)很弱時(shí)，三極管放大能力很小，甚至?xí)虬l(fā)射結(jié)不能導(dǎo)通而失去放大作用。這樣每當(dāng)輸入信號(hào)幅度接近零時(shí)，也就是在兩只推挽管輪換工作開(kāi)始和終了的時(shí)候，輸出信號(hào)就不能很好銜接，出現(xiàn)嚴(yán)重失真。為了解決這些問(wèn)題，在許多實(shí)際應(yīng)用電路中，都要為三極管加上很小的正偏壓，使電路既高效又能減小失真。11青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）

42、2.5 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超聲波清洗機(jī)主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成,其結(jié)構(gòu)如圖2-5。超聲波發(fā)生器將直流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)后 ,通過(guò)電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。圖 2-5 超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)示意參數(shù)設(shè)定為了實(shí)現(xiàn)超聲波清洗的高效率 ,應(yīng)當(dāng)選擇最佳的聲強(qiáng)、頻率及清洗槽聲場(chǎng)分布等參數(shù)。工作頻率選在 2050kHz 之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少 ,易于清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小 ,易于清洗精細(xì)且形狀復(fù)雜的物品。擬采用6 組換能器 ,分別由單獨(dú)開(kāi)關(guān)控制 ,聲強(qiáng)及頻率均可調(diào)節(jié)。清洗液采用碳?xì)淝逑匆?, 碳?xì)淝逑?/p>

43、液具有以下特點(diǎn) :清洗性能好 ,蒸發(fā)損失小 ,無(wú)毒 ,材料相容性好 ,不破壞環(huán)境 ,價(jià)格便宜。12青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）軟件設(shè)計(jì)3.1 主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括中斷主程序、入口程序、定時(shí)器0中斷程序、倒計(jì)時(shí)顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時(shí)子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。（ 1）主程序流程圖主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0 工作模式為 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA 并清計(jì)數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖。圖 3-1 程序主流程圖為了避免超聲波發(fā)射器引起的直射波， 需要延時(shí) 0.1ms 后才可打開(kāi)外部中斷0

44、的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是0.5 s，所以當(dāng)主程序檢測(cè)到標(biāo)志位后，調(diào)用振動(dòng)子程序最后顯示在LED 上，主程序流程圖如圖 3-1 所示。13青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）3.2 子程序設(shè)計(jì)（ 1）中斷子程序設(shè)計(jì)當(dāng)超聲波發(fā)送脈沖波后，在程序中定義為外部中斷0，INT0 中斷在程序中的作用是形成中斷進(jìn)行跳轉(zhuǎn)進(jìn)入中斷子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)在程序設(shè)計(jì)上的思維，使整個(gè)程序符合邏輯設(shè)計(jì)。 中斷子程序流程圖如圖3-2 所示。在程序中應(yīng)注意進(jìn)中斷時(shí)變量的保存及出中斷時(shí)變量的恢復(fù)。當(dāng)有外部中斷時(shí)，為避免進(jìn)入中斷死循環(huán)，必須在退出中斷子程序時(shí)用軟件清除該標(biāo)志位。系統(tǒng)

45、在進(jìn)入中斷時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)中斷，之后進(jìn)入處理子程序。接收中斷后，讀取定時(shí)器值，設(shè)置標(biāo)志位。關(guān)閉定時(shí)器關(guān)閉中斷讀取定時(shí)器值設(shè)置標(biāo)志位返回圖 3-2 中斷子流程圖（ 2）按鍵掃描程序流程圖按鍵掃描程序流程圖如圖 3-3 所示，該程序部分完成對(duì)按鍵的掃描，組合鍵碼值返回， 由于按鍵的公共端接低電平， 所以當(dāng)按鍵 I/O 口為低電平時(shí)， 證明有按鍵按下，所以進(jìn)入程序后先將P1 口即按鍵的接口，全部置1，然后通過(guò)if(P1&0 xff)!=0 xff) ；來(lái)判斷是夠有按鍵動(dòng)作，將P1 口與 0XFF ，如果值不等于0XFF ，則證明有按鍵動(dòng)作，然后經(jīng)過(guò)20ms 的延時(shí)，再次使用該語(yǔ)句進(jìn)行一次判斷，如果確實(shí)有按

46、鍵按下，則此語(yǔ)句成立，將進(jìn)入鍵碼值提取提取，加入按鍵 1 按下則編碼值為 01111111，為 0X7F ，為了便于觀察與調(diào)試將該鍵碼值取反，則為 0X80，將該按鍵編碼返回，然后執(zhí)行查詢程序進(jìn)行按鍵的查詢，查詢后進(jìn)行按鍵執(zhí)行程序的執(zhí)行。14青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）圖 3-3 按鍵掃描流程圖15青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）硬件的設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇有多種方案可供參考，例如AVR 單片機(jī)、 TI 公司單片機(jī)、STC 單片機(jī)、 PIC 單片機(jī)和 51 系列單片機(jī)。因此我在在單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)前對(duì)各種單片機(jī)方案進(jìn)行了比較：(1) AVR 單片機(jī)

47、AVR 單片機(jī)由 ATMEL 公司挪威設(shè)計(jì)中心的A 先生與 V 先生利用 ATMEL公司的 Flash 新技術(shù) , 共同研發(fā)出 RISC 精簡(jiǎn)指令集的高速 8 位單片機(jī)。其特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單易學(xué)， AVR 程序?qū)懭胧侵苯釉陔娐钒迳线M(jìn)行程序修改、燒錄等操作，這樣便于產(chǎn)品升級(jí)；費(fèi)用低廉，高速，低耗， I/O 口功能強(qiáng) ,具有 A/D 轉(zhuǎn)換等電路，有功能強(qiáng)大的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器及通訊接口。(2) TI 公司單片機(jī)德州儀器提供了TMS370 和 MSP430 兩大系列通用單片機(jī)。 TMS370 系列單片機(jī)是 8 位 CMOS 單片機(jī)，具有多種存儲(chǔ)模式、多種外圍接口模式，適用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合； MSP430

48、 系列單片機(jī)是一種超低功耗、功能集成度較高的位低功耗單片機(jī)，特別適用于要求功耗低的場(chǎng)合。(3) STC 單片機(jī)STC 公司的單片機(jī)主要是基于 8051 內(nèi)核，是新一代增強(qiáng)型單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，速度快 812 倍，帶 ADC ，4 路 PWM ，雙串口，有全球唯一 ID 號(hào)，加密性好，抗干擾能力強(qiáng)。PIC 單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品，其突出的特點(diǎn)是體積小，功耗低，精簡(jiǎn)指令集，抗干擾性好，可靠性高，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好，大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存儲(chǔ)器的芯片。51 系列單片機(jī)16青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）51 些列單片機(jī)是

49、在一塊芯片中集成了CPU 、RAM 、ROM 、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多功能 I/O 等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。掌握起來(lái)比較簡(jiǎn)單， 且成本低，可靠性高。下面我們來(lái)比較89C51和 89C52：表 4.151和 52的比較數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器定時(shí)器中斷51 系列128B4KB2552 系列256B8KB38綜上所述，選擇 51 系列的單片機(jī)是最符合實(shí)際需求的，實(shí)驗(yàn)方便，且數(shù)據(jù)處理量不是很大，所以，本次設(shè)計(jì)選定以 51 系列單片機(jī)為控制核心的STC89C52單片機(jī)來(lái)進(jìn)行。Atmel 公司推出的 AT89C52，它是一種低功效、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash

50、 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 在單芯片上擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié)Flash，256 字節(jié) RAM ，32 位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM 、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下 RAM 內(nèi)容被保存， 振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為

51、止。而且，它還具有一個(gè)看門(mén)狗(WDT) 定時(shí) /計(jì)數(shù)器。如果程序沒(méi)有正常工作，就會(huì)強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時(shí)候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個(gè)系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)你的硬件電路。T89S52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O ）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中端口， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)全雙工串行通信口，片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程， 亦適于常規(guī)編程器。 其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。主要功能特性 :（1） 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦

52、寫(xiě) (1000 次）Flash ROM（2） 32 個(gè)雙向 I/O 口,256x8bit 內(nèi)部 RAM（3） 3個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 ,時(shí)鐘頻率 0-24MHz（4） 2個(gè)串行中斷 ,可編程 UART 串行通道（5） 2個(gè)外部中斷源 ,共 8 個(gè)中斷源（6） 2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線 ,3 級(jí)加密位17青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）（7） 低功耗空閑和掉電模式 ,軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能STC89C52 各引腳功能及管腳電壓如圖4-1 所示圖 4-1 STC89C52 的引腳圖概述： STC89C52 為 40 腳雙列直插封裝 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51

53、內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。 功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、 數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口， 外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，18青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC （40 腳）和 VSS（20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0P3 為可編程通用 I

54、/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口（ 3239 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C總線控制端口，分別連接N1 的 SDAS（ 18 腳）和 SCLS（ 19 腳）端口， 12 腳、27 腳及 28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。P0 口:P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口 P0

55、寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)， 這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址 （低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1 口:P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě) “1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL) 。P2 口:P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位

56、雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口 P2 寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL) 。P3 口:P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì) P3 口寫(xiě)入 “1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL ）。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高

57、電平將使單片機(jī)復(fù)位 4。XTAL1: 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。4.2 超聲波發(fā)生、換能器的選擇超聲波發(fā)生器也稱為超聲頻發(fā)生器、超聲電源，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動(dòng)和去除被加工材料的能量。 目前使用的超聲波發(fā)生器頻率為1625kHz ，功率在 20 4000W范19青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）圍內(nèi)。功率在 1000W以上的超聲波發(fā)生器多用電子管式，而小功率者多用晶體管實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)由于電子技術(shù)的進(jìn)步，大功率的電子管超聲波發(fā)生器已逐漸被晶體管所取代。晶體管電路發(fā)生器失真小

58、、效率高、壽命長(zhǎng)，但穩(wěn)定性、耐沖擊性和抗干擾性差，目前主要應(yīng)用于壓電陶瓷換能器的驅(qū)動(dòng)。而電子管式發(fā)生器耐沖擊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，但失真大、效率低、易老化、操作繁瑣，且機(jī)內(nèi)存在高壓，使用很不方便。不管是電子管或是晶體管式的，超聲波發(fā)生器的組成方框圖都類似圖 4-1，分為振蕩級(jí)、電壓放大級(jí)、功率放大級(jí)和電源四部分。其中振蕩級(jí)由三極管連接成電感反饋振蕩回路，調(diào)節(jié)電路中的電容可以改變振蕩頻率，振蕩級(jí)的輸出經(jīng)耦合至電壓放大級(jí)放大后，利用變壓器倒相輸送至末級(jí)功率放大器。功率放大管常用多管并聯(lián)推挽輸出，經(jīng)輸出變壓器輸出至換能器。圖4-2 超聲波發(fā)生器方框圖為使發(fā)生器和換能器相匹配，以便發(fā)生器效率最高，則超

59、聲波發(fā)生器必須滿足下列要求：輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)且穩(wěn)定，最好有頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和自動(dòng)微調(diào)的功能，發(fā)生器的輸出阻抗應(yīng)與換能器阻抗相匹配。此外還要求超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、經(jīng)久耐用、價(jià)格便宜、體積小等。換能器作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，它是將電功率轉(zhuǎn)化成機(jī)械功率的關(guān)鍵部件。目前實(shí)現(xiàn)這一目的可利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方法，對(duì)應(yīng)的換能器有壓電換能器和磁致伸縮換能器兩種。壓電換能器是利用某些壓電晶體材料的壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)制成的。壓電效應(yīng)是指壓電晶體在一定方向，一定的晶面上受壓或受拉時(shí)，就在相應(yīng)的面上出現(xiàn)電荷。這種效應(yīng)具有可逆性，既在壓電晶體上加一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)方向和壓電

60、軸方向相一致時(shí)，壓電晶體就相應(yīng)地沿一定的方向發(fā)生強(qiáng)烈的壓縮或拉伸。如果電場(chǎng)是交變的，則壓電晶體隨即產(chǎn)生交變地伸縮變形。超聲波發(fā)生器輸出交變電場(chǎng)加在壓電晶體上，從而獲得超聲波振動(dòng)。為了獲得最大的超聲波強(qiáng)度，應(yīng)使晶體處于共振狀態(tài)，故晶體片的厚度應(yīng)為聲波的半波長(zhǎng)或整數(shù)倍。壓電式換能器具有結(jié)構(gòu)尺寸小、機(jī)械20青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）強(qiáng)度低、電聲轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱與輻射功率較小與超聲加工系統(tǒng)易于匹配等優(yōu)點(diǎn)。4.3 電源模塊的設(shè)計(jì)圖 4-3 電源模塊上圖為供電電源，為整個(gè)設(shè)計(jì)提供電能，本模塊的設(shè)計(jì)保證了整個(gè)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，圖中的二極管由于具有單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)，保證了電能只能有一個(gè)方向傳