超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì)

劉元昊 王茜 韓昱竹 段世杰 劉懿磊

摘 要：超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鑒于此，首先闡明了超聲波清洗的原理，其次介紹了清洗機(jī)結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)，最后說(shuō)明了控制系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)分析了如何利用單片機(jī)對(duì)超聲波清洗機(jī)的電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制，從而達(dá)到更好的清洗效果。

關(guān)鍵詞：超聲波;清洗機(jī);電機(jī)調(diào)速

0? ? 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(duì)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(lái)越低，而其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越高，因此超聲波清洗深受大眾喜愛(ài)?！翱栈饔谩焙汀爸边M(jìn)流作用”是超聲波清洗的兩個(gè)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(duì)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]。

1? ? 超聲波清洗原理

超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，其每秒震動(dòng)次數(shù)極多。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)導(dǎo)致附近質(zhì)點(diǎn)的劇烈運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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[2]。

最簡(jiǎn)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(gè)模塊構(gòu)成，3個(gè)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(hào)的作用，是整個(gè)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(dòng)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。

2? ? 清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)部的洗涮輥以及控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的按鈕，如圖2所示。

清洗機(jī)的外殼由內(nèi)外兩層構(gòu)成，內(nèi)層安裝若干個(gè)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(guò)程中迸濺的水流接觸到超聲波振子，造成線路短路等問(wèn)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(guò)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(guò)大時(shí)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(shí)，可將整個(gè)污物收納盒拆卸下來(lái)，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(huì)順著網(wǎng)格小孔排放到外面。

圓形支撐腳主要起到對(duì)清洗機(jī)支撐的作用。

洗涮輥安裝在清洗槽內(nèi)部中央位置，方便更大程度地對(duì)清洗槽內(nèi)部的水流起到攪拌的作用，從而縮短整個(gè)清洗過(guò)程的時(shí)間。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)使洗涮輥轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置可以給予洗涮輥不同的速度，洗涮輥不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)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(jì)

超聲波清洗機(jī)的微處理器采用STC89C51單片機(jī)，對(duì)清洗機(jī)運(yùn)行的整體清洗過(guò)程進(jìn)行控制[3]。整個(gè)裝置的主要電路有電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速電路和超聲波發(fā)生器通斷電路。通過(guò)接通與斷開繼電器來(lái)控制超聲波發(fā)生器是否工作。供電電源主要采用220 V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5 V直流電源和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)所需的12 V直流電源[4]。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(gè)直流電機(jī)，直流電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置和位于清洗槽內(nèi)部的洗涮輥進(jìn)行連接，這樣就可以通過(guò)直流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)清洗槽內(nèi)部的洗涮輥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)清洗槽內(nèi)部清洗液流動(dòng)，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(shí)間。清洗槽內(nèi)部水流動(dòng)得越快，清洗效果越明顯，因此通過(guò)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(wú)級(jí)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?；谝陨蟽煞N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/（t1+t2），其中t1為一個(gè)周期內(nèi)高電平所持續(xù)的時(shí)間，t2為一個(gè)周期內(nèi)低電平所持續(xù)的時(shí)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(duì)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(jì)

超聲波清洗機(jī)硬件系統(tǒng)主要包括12 V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(dòng)模塊等。單片機(jī)正常工作有3個(gè)必要條件：電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。L298N模塊是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片模塊，其擁有4個(gè)通道的邏輯電路。VS端被連接到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)IN1引腳和IN2引腳分別輸入PWM信號(hào)和低電平信號(hào)，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)再將IN1引腳和IN2引腳的信號(hào)互換，從而達(dá)到控制12 V直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的，并且通過(guò)改變PWM信號(hào)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(lái)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(jì)如圖4所示。