一款基于STC单片机的超声波清洗机系统设计

功率的三极管Q1、Q2、Q3、Q4放大，再经脉冲驱动变压器T1驱动两个IGBT，控制逆变模块实现半桥逆变(如图3所示)。高频变压器T1起隔离强电与弱电的作用，增强了驱动能力和电源的可靠性。

2.5 功率调节模块

功率调节的实现原理：通过IAP15F2K61S2单片机的一个AD口检测调功电阻上电压大小，再通过模数转换获得AD数值。再根据此值控制双向可控硅TR1过零延时触发，即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中，图6为过零触发原理图，12 V交流电经二极管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产生负脉冲。另外，IAP15F2K61S2单片机的P3.3口是一个外部中断口，通过检测过零脉冲获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主要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为减少静电抗产生的无功损耗，使压电换能器输出最大功率，需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态，提高超声波电源输出效率。另外，若完成了调谐匹配时，即负载为纯电阻状态时，为使电源输出最大功率，需要令实际负载和电源的最佳输出阻抗相等，而实现方法为：通过高频变压器使换能器的阻抗变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。其中，虚线框内为压电换能器的等效电路图。

其中，Co是压电换能器的静态电容，主要是由夹持而产生的电容，它是一个真实的电学量;Ro是压电换能器的介电损耗电阻，一般认为Ro无穷大，通常忽略不计;Ld、Cd、Rd分别为压电换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当Ld、Cd处于谐振时，串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配作用下，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定时，阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关，因此，需要采用高频变压器来进行阻抗变换，从而使超声波电源能够以最大功率输出。

3 结束语

文中根据实际需求，以STC一款型号为IAP15F2K61S2的单片机作为控制核心，提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案，进行了软件、硬件的设计和调试，保证其工作频率在20～50 kHz范围内连续可调，死区时间稳定，从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。最后根据设计制作出了一款具有调功、调频、定时功能的超声波清洗机。通过现场试验，本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。