引言

目前,在人們的生活中,超聲波清洗技術(shù)應(yīng)用廣泛,隨著對超聲波清洗技術(shù)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(zhì)中傳播時會導(dǎo)致附近質(zhì)點(diǎn)的劇烈運(yùn)動,從而使附近質(zhì)點(diǎn)獲得能量。超聲波清洗技術(shù)就是依靠超聲波在介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(shè)備由超聲波發(fā)生器、換能器和清洗槽3個模塊構(gòu)成,3個模塊相互結(jié)合、共同構(gòu)成超聲波清洗機(jī)。超聲波發(fā)生器在超聲波清洗設(shè)備中起到產(chǎn)生并向換能器提供超聲能量和將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成高強(qiáng)度的機(jī)械震動功率傳遞到清洗槽。超聲波清洗結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1  超聲波清洗結(jié)構(gòu)示意圖

2清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括清洗機(jī)外殼、進(jìn)水口、排水口、支撐腳、清洗槽內(nèi)部的洗涮銀以及控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的按鈕,如圖2所示。

圖2  清洗機(jī)三維模型

清洗機(jī)的外殼由內(nèi)外兩層構(gòu)成,內(nèi)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(hù)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(jìn)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(jìn)水口流入到清洗槽的內(nèi)部。凹形污物收集盒位于清洗槽內(nèi)部的右側(cè),可以進(jìn)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(dāng)污物外形過大時便可留在污物收集盒內(nèi)部,污物在收集盒內(nèi)積累到一定數(shù)量和質(zhì)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(yù)先設(shè)置的清洗目標(biāo),當(dāng)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(jī)支撐的作用。

洗涮銀安裝在清洗槽內(nèi)部中央位置,方便更大程度地對清洗槽內(nèi)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(qū)動電機(jī)來使洗涮銀轉(zhuǎn)動,通過控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動速度對清洗槽內(nèi)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

超聲波清洗機(jī)的微處理器采用STC89C51單片機(jī),對清洗機(jī)運(yùn)行的整體清洗過程進(jìn)行控制。整個裝置的主要電路有電機(jī)驅(qū)動調(diào)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(jī)使用變壓模塊和穩(wěn)壓模塊分別轉(zhuǎn)化為單片機(jī)所需要的5V直流電源和驅(qū)動直流電機(jī)所需的12V直流電源。構(gòu)建的系統(tǒng)整體如圖3所示。

3.1直流電機(jī)調(diào)速

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

直流電機(jī)調(diào)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(diào)速,但調(diào)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(jī)空載和輕載的情況下,電機(jī)的調(diào)速范圍比較小,并且在調(diào)速電阻上有能量損耗,經(jīng)濟(jì)效益比較差。基于以上兩種電機(jī)調(diào)速方法的特性,超聲波清洗機(jī)的直流電機(jī)采用改變電樞電壓的調(diào)速方法。

采用PwM調(diào)速方法改變電機(jī)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(nèi)高電平所持續(xù)的時間,t2為一個周期內(nèi)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(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)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(shè)計

超聲波清洗機(jī)硬件系統(tǒng)主要包括12V直流電機(jī)模塊、鍵盤調(diào)速控制模塊、示波器觀察波形模塊、sTC89C51單片機(jī)模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊等。單片機(jī)正常工作有3個必要條件:電源、時鐘電路、復(fù)位電路。L298N模塊是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動電源,邏輯控制電源連接Vss。ENA、ENB引腳為控制使能端,電機(jī)正轉(zhuǎn)時IN1引腳和IN2引腳分別輸入PwM信號和低電平信號,當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時再將IN1引腳和IN2引腳的信號互換,從而達(dá)到控制12V直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的,并且通過改變PwM信號的占空比可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)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(dú)立按鍵模塊,按下不同的按鍵,直流電機(jī)按不同的轉(zhuǎn)向和速度運(yùn)行[5]。系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖4所示。

3.3系統(tǒng)仿真

通過程序控制單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。單片機(jī)內(nèi)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(dāng)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(jī)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(shí)現(xiàn)對12V直流電機(jī)的調(diào)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(jìn)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(jié)果可知,直流電機(jī)可以正反轉(zhuǎn),并且可以以不同的速度運(yùn)行,從而達(dá)到不同的清洗效果。仿真結(jié)果進(jìn)一步表明,所搭建的硬件系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤,可以滿足超聲波清洗機(jī)的性能要求。

4結(jié)語

隨著超聲波技術(shù)的不斷發(fā)展、進(jìn)步,超聲波清洗將越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,市場前景良好。本文所述超聲波清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化,便于后期優(yōu)化改進(jìn),采用常見的單片機(jī)進(jìn)行控制,操作簡單方便,運(yùn)行控制可靠,有一定的實(shí)踐推廣價值。