基于超聲波的便攜式洗衣機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)*

黃曉林，陳潤東

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣東韶關(guān) 512126）

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高以及環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保型的綠色家用電器產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，并且已經(jīng)在人民日常生活的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前市場上銷售的多為波輪式、滾筒式和兩者結(jié)合而成的攪拌式機(jī)械洗衣機(jī)，這類傳統(tǒng)的機(jī)械洗衣機(jī)不但功率大，用電成本較高，而且在清洗過程中對衣物的磨損率較大。針對這類傳統(tǒng)機(jī)械洗衣機(jī)存在的缺陷，以及人民對洗衣機(jī)洗衣質(zhì)量全面提高的期望，提出一種基于超聲波的新型洗衣機(jī)設(shè)計。新型洗衣機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械洗衣機(jī)相比，在外形結(jié)構(gòu)和洗滌方式上都做了革命性的創(chuàng)新。新型洗衣機(jī)既節(jié)能又環(huán)保，它利用超聲波的空化作用，清洗時不但對衣物的磨損率小，清洗衣物更加全面不留死角，清洗效果更好，洗凈程度更有效［1］，而且在不用洗滌劑的情況下對清洗效果影響不大［2］。同時根據(jù)需要可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某粞踹M(jìn)行殺菌消毒，使清洗的衣物潔凈度更高。外形結(jié)構(gòu)上小巧便于攜帶，特別適合流動人群使用［3－5］。

1 超聲波清洗衣物的工作原理

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，超出人耳可以聽到的聲音頻率范圍。超聲波也是種機(jī)械振動波，能在各種不同的彈性介質(zhì)內(nèi)有效傳播。超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播是一種能量形式的傳播，通過介質(zhì)微粒往復(fù)振將能量由近至遠(yuǎn)地傳播。利用超聲波在介質(zhì)中的能量傳播原理即超聲波空化效應(yīng)能實現(xiàn)對衣物進(jìn)行清洗，但需要一種能把超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻電磁振蕩信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的機(jī)械振蕩裝置，即超聲波換能器。超聲波換能器將以超聲波頻率的機(jī)械振蕩將能量傳播到清洗液中，使依附在衣物上的污垢層被逐漸剝離、脫落和分散，從而達(dá)到清洗衣物的目的［6－8］。

清洗液受到超聲波頻率的機(jī)械振動后，清洗液單位體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)高頻又相互作用的減壓力和壓縮力。當(dāng)清洗液單位體積內(nèi)受到減壓力作用時，使溶解于清洗液中的大量微氣泡由于壓強(qiáng)的降低而過飽和成為小氣泡從清洗液中逸出，并將膨脹而產(chǎn)生成為較大的氣泡，這就是超聲波的空化效應(yīng)。當(dāng)清洗液單位體積內(nèi)受到壓縮力作用時，氣泡被瞬時高壓壓破破裂，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力不斷沖擊清洗衣物表面，使附著在衣物上的污垢被擊碎剝離脫落。同時空化氣泡增強(qiáng)了清洗液的滲透力，可使清洗液更加全面地滲入到清洗衣物內(nèi)，而氣泡則會不留死角全方位鉆入清洗衣物的任何縫隙中進(jìn)行振動，使洗凈程度更高，清洗效果更好。同時超聲波頻率的機(jī)械振動還可促成清洗液體的乳化作用，使附著在清洗衣物表面上不溶于清洗液的油脂性污垢或被油污包裹的污漬微粒在空化氣泡的作用下被迅速乳化，甚至在少用或不用洗滌劑的情況下也能自行脫落分散到清洗液中，清洗衣物既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保［9－12］。

2 超聲波清洗的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

超聲波洗衣機(jī)的超聲波頻率、聲強(qiáng)和清洗液溫度等關(guān)鍵參數(shù)對清洗衣物有著重要的影響，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)值能更好地提升超聲波洗衣機(jī)的性能和清洗衣物的效果。

超聲波頻率對空化作用影響較大，高頻段超聲波的空化作用氣泡小、數(shù)量多，方向性強(qiáng)，能量集中，適合清洗精細(xì)且形狀復(fù)雜的物品，而低頻段超聲波在液體中容易產(chǎn)生空化，空化作用時氣泡大、數(shù)量少，力度大，適合較難清洗的粗糙物品。超聲波洗衣機(jī)主要用于清洗較為粗糙的衣物等生活用品，根據(jù)實驗選取超聲波頻率為38 kHz左右較為合適。在這種頻率下，超聲波空化時噪聲較小，滲透作用較強(qiáng)，滲透得較為深入和徹底，可以滲透到被清洗衣物的任何細(xì)孔、狹縫內(nèi)，使衣物洗得均勻干凈。

超聲波在介質(zhì)中傳播的過程就是機(jī)械振動能量傳播的過程，在垂直于超聲波傳播方向的單位面積內(nèi)承受的平均超聲功率叫聲強(qiáng)。超聲波聲強(qiáng)的大小將影響超聲波的空化作用效果，聲強(qiáng)越高則空化作用越強(qiáng)。為了提高超聲波洗衣機(jī)清洗衣物的效率，往往采用較高的聲強(qiáng)，但聲強(qiáng)過高達(dá)到一定值后空化作用趨于飽和，空化氣泡因劇烈脈動產(chǎn)生大量無用氣泡，形成一道阻止能量傳播屏障，使遠(yuǎn)離聲源的液體空間聲強(qiáng)反而變?nèi)踹_(dá)不到衣物的均勻清洗。超聲波洗衣機(jī)的聲強(qiáng)應(yīng)控制在2 W／cm2左右［13］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計利用超聲波空化作用代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械洗衣機(jī)的攪拌對衣物進(jìn)行清洗，不但清洗不留死角更全面，清洗程度更高，而且清洗時對衣物的磨損率小，同時更加注重清洗衣物時的安全性和節(jié)能環(huán)保。為便于攜帶和操作，縮減設(shè)備的體積，超聲波洗衣機(jī)采用分體式設(shè)計，由主控制器和清潔器兩個部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波洗衣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

手持式主控制器放置在清洗液外面，以STC15W408AS單片機(jī)為控制核心，配置能設(shè)置洗衣要求和顯示洗衣狀態(tài)的觸摸屏顯示模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)需要控制超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波清洗衣物和臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧消毒衣物，在產(chǎn)生臭氧時啟動微型風(fēng)泵把臭氧吹入清洗液中加速溶解。為保證操作使用的安全，主控制器還要實時監(jiān)控系統(tǒng)漏電檢測。清潔器放置在洗滌液里面，主要由超聲波換能器和水位及清潔檢測模塊組成。

3.1 超聲波發(fā)生器電路設(shè)計

超聲波發(fā)生器是功率較大的信號發(fā)生器，給超聲波換能器一定頻率的電磁振蕩能量［14］。超聲波發(fā)生器要與換能器相匹配使用，設(shè)計超聲波發(fā)生器要充分考慮換能器的匹配阻抗、幅頻和相頻等特性，使超聲換能器產(chǎn)生最有效的超聲振動即發(fā)生共振，以最大限度保證換能器工作效率［15］。超聲波發(fā)生器電路原理如圖2所示，T3是一個高頻變壓器，主要作用是匹配輸入輸出電壓和隔離輸入輸出。T4為一個有3個繞組的變壓器，主要作用是反饋和換相，控制功率管Q1、Q2輪流導(dǎo)通，使超聲波震蕩器自激震蕩輸出一定頻率的超聲波作用于超聲波換能器上，超聲波的頻率由換能器、T3的次級、L2、T4的初級和C17組成的電路確定。

圖2 超聲波發(fā)生器電路原理圖

3.2 臭氧發(fā)生器電路設(shè)計

臭氧的化學(xué)性質(zhì)特別活潑，具有很強(qiáng)的氧化性。臭氧分子溶于水后很容易與衣物上的細(xì)菌、有機(jī)物污物或油漬相結(jié)合而形成氧化物，破壞細(xì)菌、污物或油漬的分子結(jié)構(gòu)，使之從衣物脫離。利用臭氧對衣物的殺菌消毒和清洗，不但衣物上不殘留任何有毒物質(zhì)，不會對環(huán)境形成二次污染，甚至可以不用清洗劑，有利于健康和保護(hù)環(huán)境。但臭氧分子極不穩(wěn)定、易分解的特性決定其不能壓縮裝瓶后待用，只能邊生成邊使用。

臭氧產(chǎn)生電路往往使用一定頻率的交變高壓電制造高壓電暈電場，使電場內(nèi)或電場周圍的氧氣分子產(chǎn)生電暈放電，電暈中的自由高能電子分解形成的氧分子相互碰撞又合成臭氧分子，臭氧發(fā)生器電路原理如圖3所示。交流電220 V電壓經(jīng)整流濾波，供給后面振蕩電路使用。首先電阻R6和電容C8組成充電電路，當(dāng)C8充電兩端電壓上升一定程度后，雙向觸發(fā)二極管T1導(dǎo)通，晶閘管Q1也就被觸發(fā)導(dǎo)通；同時電容C8、雙向觸發(fā)二極管T1和電阻R17組成放電電路開始放電，C8兩端的電壓又開始下降，當(dāng)C8兩端的電壓下降一定程度后，雙向觸發(fā)二極管T1截止，晶閘管Q1也截止，形成一次充放電循環(huán)。可控硅Q1導(dǎo)通時，儲存在C10的電能，通過脈沖變壓器T2的初級放電，次級繞組上產(chǎn)生脈沖高壓，使臭氧發(fā)生片G1工作，產(chǎn)生臭氧。在Q1截止期間，由D2與R16向C10充電。

圖3 臭氧發(fā)生器電路原理圖

3.3 水位及清潔檢測電路設(shè)計

圖4 水位及清潔檢測電路原理圖

此電路是用來檢測洗衣機(jī)內(nèi)是否有足夠容量的洗滌液，同時在洗滌衣物的過程中用來檢測洗滌衣物清潔度，水位及清潔檢測電路原理如圖4所示。由J1與J3、J2與J3分別組成檢測洗衣機(jī)內(nèi)是否有洗滌液的檢測組，洗衣機(jī)需要洗滌衣物開啟時，洗衣機(jī)內(nèi)有必須適量的洗滌液，當(dāng)沒有洗滌液時輸入信號W1和W2都為高電平。把J1、J2放置在洗衣機(jī)容器的不同位置，就可以檢測洗滌液的容量。污物融于洗滌液中濃度不同將導(dǎo)致洗滌液的導(dǎo)電率不同，在洗滌衣物的過程中通過AD轉(zhuǎn)換測量W1或W2大小，能檢測洗滌衣物的清潔度。

3.4 漏電測試及檢測電路設(shè)計

設(shè)計方案不僅使衣物清洗程度更全面高效，而且更加重視使用過程中的安全性。因此漏電測試及檢測電路的靈敏度和可靠性對使用者生命安全具有重要的保護(hù)作用。洗衣機(jī)通電啟動系統(tǒng)后，可以用人工手動方式主動進(jìn)行測試漏電檢測功能，檢驗漏電檢測電路是否能快速有效檢測漏電。在正常運(yùn)行過程中如果洗衣機(jī)萬一不幸發(fā)生了漏電，漏電檢測電路應(yīng)能夠立即檢測到漏電并快速將漏電信息及時通知控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)緊急采取安全性保護(hù)措施，緊急關(guān)閉洗衣部分的供電電源，同時發(fā)出警報進(jìn)行警示，漏電測試及檢測電路原理如圖5所示?？梢酝ㄟ^人工方式使TEST信號高電平有效后導(dǎo)致三極管Q4飽和導(dǎo)通，繼電器LK1閉合主動漏電來測試漏電電路檢測漏電的有效性。當(dāng)檢測電路檢測到電路發(fā)生漏電時，通過INT0信號采用中斷方式將漏電信息及時反饋到單片機(jī)中。漏電測試及檢測電路的電阻R24為漏電檢測靈敏度調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)電阻R24的大小可以有效檢測到漏電電流的大小。

圖5 漏電測試及檢測電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計利用超聲波的空化作用代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械洗衣機(jī)的攪拌對衣物進(jìn)行清洗，不但清洗不留死角更全面，清洗程度更高，而且清洗時對衣物的磨損率小，也更加重視減少環(huán)境污染和清洗衣物時的安全性。洗衣機(jī)通電啟動系統(tǒng)后，可以通過人工方式主動漏電測試漏電檢測電路的有效性，如漏電檢測電路檢測漏電無效，則發(fā)出聲光警示，同時啟動自動斷電裝置切斷系統(tǒng)的供電電源。在清洗衣物之前，要先要判斷清洗水位，只有清洗水位滿足一定高度之后才能開啟超聲波發(fā)生器清洗衣物。每次開始清洗和快結(jié)束清洗時都需要對清洗液的濃度進(jìn)行檢測，清洗過程中這兩個值每次檢測都會變小，但變化會越來越慢，當(dāng)趨于相對穩(wěn)定時，基本可以判斷衣物已經(jīng)清洗干凈。不需要每次洗滌都消毒，只在最后一次清洗需要?dú)⒕静砰_啟臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧。開啟產(chǎn)生臭氧之前，要先開啟加強(qiáng)運(yùn)送空氣，加速臭氧在清洗液中的溶解，結(jié)束殺菌消毒時要先關(guān)閉臭氧發(fā)生器，再關(guān)閉微型風(fēng)泵。圖6所示為系統(tǒng)一次清洗衣物程序控制流程圖。

圖6 清洗衣物程序控制流程圖

5 結(jié)束語

基于超聲波的便攜式洗衣機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械洗衣機(jī)相比，在外形結(jié)構(gòu)和洗滌方式上都做了革命性的創(chuàng)新。新型洗衣機(jī)既節(jié)能又環(huán)保，不但功耗小，噪聲低，而且在降低衣物的磨損率、清洗效果、殺菌消毒和生態(tài)環(huán)保等方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的實用性。隨著人們對洗衣質(zhì)量要求的提高和節(jié)能環(huán)保意識的增強(qiáng)，這種既節(jié)能又綠色環(huán)保的洗衣機(jī)，具有巨大的社會效益，是未來新型洗衣機(jī)發(fā)展的趨勢。