基于SPCE061A单片机的超声波清洗机设计

　　1 引言

　　超声清洗是利用超声波在清洗液中的空化作用、加速度作用及直进流作用，产生的冲击，将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物震落剥离下来。目前常用的超声波清洗机中，以空化作用和直进流作用为主。超声波清洗机主要应用于电子、光学和医疗领域，用来清洗半导体器件、印制电路板、玻璃器具等[1-3]。

　　超声波清洗机由超声波发生器、超声波换能器、超声清洗槽及控制电路组成。超声波清洗机主要利用超声波发生器产生超声波信号并传入超声波换能器，超声波换能器将超声波电能转换为高频机械振动并传入清洗液中，在清洗液中产生空化作用，从而达到超声波清洗的目的[4-5]。

　　超声波清洗机控制的关键是频率跟踪，也就是使超声波电源输出频率和换能器频率一致，这样才能形成共振，使换能器处于最佳工作状态，清洗效果最好[6]。目前，常用的频率跟踪技术采用锁相环方式，该方法简单易实现，跟踪效果好，但功能单一。

　　本文采用单片机实现全数字控制，以便于设置相关参数。该机的主要功能有频率自动跟踪、功率调节、振荡工作方式、扫描工作方式、定时功能。

　　2 系统硬件设计

　　超声波换能器将超声波电能转换为高频机械振动，是该机的关键设备，在此选用压电式超声波清洗换能器，其功率为60W，频率为33kHz。系统总体设计方案如图1所示。33 kHz的高频信号由 SPCE061A单片机的APWMO口输出，单片机根据从超声波换能器得到的反馈信号进行综合分析以进行频率调制，实现频率自动跟踪。功率调节通过改变 PWM 信号的脉冲宽度来实现[7-8]。从单片机输出的高频信号经半桥功放，通过输出变压器、电感、电容组成的匹配网络驱动超声波换能器发出超声波。系统具体控制电路如图2所示。

　　控制电路的核心部件为 SPCE061A 单片机，其外围电路包括键盘电路、定时时间及参数显示电路、高频信号输出、反馈信号输入等。频率自动跟踪由单片机实现，判断频率是否同步的标准是换能器负载回路的电流和电压是否同相，即换能器振荡回路是否处于谐振点。

　　为减少系统的复杂性并提高系统的稳定性，在此采用电压最大值法实现频率跟踪。电压最大值法原理是：换能器负载回路采用串联谐振电路，当阻抗匹配和调谐匹配统一时，电路出现谐振状态，换能器上的电压达到最大值。

　　根据这一原理，系统上电时，SPCE061A的APWMO输出30～35 kHz的高频信号，同时检测对应的负载回路电压，以电压最大值时的频率为所需频率。在系统运行时，可通过检测电压的变化来调节输出频率，从而实现频率跟踪。图中“CHK”为电压检测反馈信号，接入SPCE061A的IOA0(LIN-IN0)引脚。图中“PWM”为SPCE061A输出的高频信号，由SPCE061A的IOB8(APWMO)引脚输出，输出信号的频率及占空比通过程序实现[9]。SPCE061A输出的PWM信号不能直接驱动超声波换能器，必须通过功率放大才能驱动换能器。系统驱动电路如图3所示。