引言

目前,在人們的生活中,超聲波清洗技術應用廣泛,隨著對超聲波清洗技術研究的不斷深入,超聲波清洗的成本越來越低,而其帶來的經(jīng)濟效益越來越高,因此超聲波清洗深受大眾喜愛。"空化作用"和"直進流作用"是超聲波清洗的兩個重要作用,超聲波清洗主要就是利用超聲波在液體中的"空化作用"和"直進流作用"對清洗液和被清洗物上污漬直接和間接兩方面的綜合作用,使得污漬被剝離清洗物件的表面,達到快速清洗干凈的目的。

1超聲波清洗原理

超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波,其每秒震動次數(shù)極多。超聲波在介質中傳播時會導致附近質點的劇烈運動,從而使附近質點獲得能量。超聲波清洗技術就是依靠超聲波在介質質點處震動能力足夠高引發(fā)"超聲波空化現(xiàn)象"。被清洗物件表面的污漬可以被沖擊力剝離或者出現(xiàn)裂縫,持續(xù)不斷地沖擊,最終可以使污垢迅速剝落于被清洗物的表面。

最簡單的超聲波清洗設備由超聲波發(fā)生器、換能器和清洗槽3個模塊構成,3個模塊相互結合、共同構成超聲波清洗機。超聲波發(fā)生器在超聲波清洗設備中起到產(chǎn)生并向換能器提供超聲能量和將電能轉換成高頻交流電信號的作用,是整個清洗裝置中必不可少的一部分。換能器主要將超聲波發(fā)生器輸入的電功率轉化成高強度的機械震動功率傳遞到清洗槽。超聲波清洗結構示意圖如圖1所示。

圖1  超聲波清洗結構示意圖

2清洗機的結構設計

清洗機的結構設計主要包括清洗機外殼、進水口、排水口、支撐腳、清洗槽內部的洗涮銀以及控制電機正反轉的按鈕,如圖2所示。

圖2  清洗機三維模型

清洗機的外殼由內外兩層構成,內層安裝若干個超聲波振子,外層起到與外界隔離和安全保護的作用,一是防止清洗過程中迸濺的水流接觸到超聲波振子,造成線路短路等問題:二是防止外界的灰塵粘連在超聲波振子上影響清洗效果。

進水口是清洗槽和外界水流管道的連接樞紐,外界水流通過進水口流入到清洗槽的內部。凹形污物收集盒位于清洗槽內部的右側,可以進行拆卸和安裝。凹形污物收集盒上開有一定直徑的圓形網(wǎng)格小孔,當污物外形過大時便可留在污物收集盒內部,污物在收集盒內積累到一定數(shù)量和質量時,可將整個污物收納盒拆卸下來,將里面的污物傾瀉到固定的位置。

根據(jù)預先設置的清洗目標,當清洗完成后打開排水口,污水會順著網(wǎng)格小孔排放到外面。

圓形支撐腳主要起到對清洗機支撐的作用。

洗涮銀安裝在清洗槽內部中央位置,方便更大程度地對清洗槽內部的水流起到攪拌的作用,從而縮短整個清洗過程的時間。通過驅動電機來使洗涮銀轉動,通過控制電機的不同轉速,經(jīng)過傳動裝置可以給予洗涮銀不同的速度,洗涮銀不同的轉動速度對清洗槽內部的水流起到不同的攪拌作用,可以更加有效地去除被清洗物件上的污漬。

3清洗機控制系統(tǒng)設計

超聲波清洗機的微處理器采用STC89C51單片機,對清洗機運行的整體清洗過程進行控制。整個裝置的主要電路有電機驅動調速電路和超聲波發(fā)生器通斷電路。通過接通與斷開繼電器來控制超聲波發(fā)生器是否工作。供電電源主要采用220V家庭交流電壓,清洗機使用變壓模塊和穩(wěn)壓模塊分別轉化為單片機所需要的5V直流電源和驅動直流電機所需的12V直流電源。構建的系統(tǒng)整體如圖3所示。

3.1直流電機調速

在清洗槽的底部放置一個直流電機,直流電機通過傳動裝置和位于清洗槽內部的洗涮銀進行連接,這樣就可以通過直流電機來帶動清洗槽內部的洗涮銀轉動,從而帶動清洗槽內部清洗液流動,起到良好的攪拌作用,進而大大縮短被清洗物件表面污漬被分離的時間。清洗槽內部水流動得越快,清洗效果越明顯,因此通過調節(jié)電機的不同轉速可以達到不同的清洗效果。

直流電機調速方法包括改變電樞電壓大小、改變磁通量、改變電樞回路串接電阻大小。改變磁通量的方法雖然可以平滑無級調速,但調速范圍不大,存在一定的局限性。改變串接電阻大小的方法在電機空載和輕載的情況下,電機的調速范圍比較小,并且在調速電阻上有能量損耗,經(jīng)濟效益比較差。基于以上兩種電機調速方法的特性,超聲波清洗機的直流電機采用改變電樞電壓的調速方法。

采用PwM調速方法改變電機兩端電壓的大小,輸出的平均電壓為U=U₀t1/(t1t2）,其中t1為一個周期內高電平所持續(xù)的時間,t2為一個周期內低電平所持續(xù)的時間,U0為總電壓,占空比α=t1/(t1+t2）。由上述公式可知,要想實現(xiàn)對直流電機的調速,可在電源總電壓不變的情況下,改變占空比的大小。

3.2系統(tǒng)硬件設計

超聲波清洗機硬件系統(tǒng)主要包括12V直流電機模塊、鍵盤調速控制模塊、示波器觀察波形模塊、sTC89C51單片機模塊、L298N電機驅動模塊等。單片機正常工作有3個必要條件:電源、時鐘電路、復位電路。L298N模塊是一種雙H橋電機驅動芯片模塊,其擁有4個通道的邏輯電路。Vs端被連接到電動機驅動電源,邏輯控制電源連接Vss。ENA、ENB引腳為控制使能端,電機正轉時IN1引腳和IN2引腳分別輸入PwM信號和低電平信號,當電機反轉時再將IN1引腳和IN2引腳的信號互換,從而達到控制12V直流電機正反轉的目的,并且通過改變PwM信號的占空比可以實現(xiàn)電機的調速。示波器一端連接在IN1引腳端,另一端連接在IN2引腳端,示波器主要用來觀察輸出波形的占空比。鍵盤控制模塊為獨立按鍵模塊,按下不同的按鍵,直流電機按不同的轉向和速度運行[5]。系統(tǒng)的硬件設計如圖4所示。

3.3系統(tǒng)仿真

通過程序控制單片機輸出端口輸出高低電平的邏輯順序,賦予L298N模塊IN1和IN2的邏輯狀態(tài),可以實現(xiàn)對電機正反轉的控制。單片機內部的計數(shù)器T0具有定時功能,由于工作模式2把低8位定時器配置成一個可以重載初值的8位定時器,該模塊可省去重裝初值的指令執(zhí)行時間,簡化定時初值的計算方法,能夠相當精確地確定定時時間,所以采用模式2產(chǎn)生方波。PwM在固定頻率下接通或斷開電源,直流電機兩端電壓的占空比可以通過改變高低電平的持續(xù)時間實現(xiàn)對12V直流電機的調速。其主要程序流程如圖5所示,根據(jù)流程圖在Keil里編寫程序。

利用Proteus搭建好系統(tǒng)的硬件電路,將程序成功編譯之后生成的hex文件燒錄到硬件電路里進行仿真分析。通過示波器來觀察INI和IN2引腳的邏輯電平狀態(tài),如圖6所示。

通過圖6仿真結果可知,直流電機可以正反轉,并且可以以不同的速度運行,從而達到不同的清洗效果。仿真結果進一步表明,所搭建的硬件系統(tǒng)準確無誤,可以滿足超聲波清洗機的性能要求。

4結語

隨著超聲波技術的不斷發(fā)展、進步,超聲波清洗將越來越廣泛地應用到生產(chǎn)生活的各個領域,市場前景良好。本文所述超聲波清洗設備結構設計模塊化,便于后期優(yōu)化改進,采用常見的單片機進行控制,操作簡單方便,運行控制可靠,有一定的實踐推廣價值。