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机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发袁海.等
机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发
Design and Development of Mechatronics Ultrasonic Tealeaves Cleaning Machine
衰海I志薪
(上海交通大学电气工程系,上海200030)
摘要:介绍了一种基于PIC单片机控制的超声波茶青清洗设备,给出了系统及结构的设计,单片机控制电路和功率放大电路的设
计,并较详细地阐述了几种换能器的性能比较和控制器的工作原理及结构,使其具有(超声波加气泡发生器)的恒功率清洗功能,满足
了茶青表面杂质清洗及去除农残的要求.经试验证明:超声波清洗速度快,效果好,容易实现工业控制,能保持恒定输出功率,且可以
方便地调节
关键词:超声波清洗茶青单片机
中图分类号:TN702文献标识码:A
Abstract: The ultrasonic tealeaves cleaning equipment based..PIC single chip computer is introduced. The design of structure and system
and the design of single chip computer based control c9rnuit and power amplifier are presented. In addition, the comparison of the performance
of several energy converters and the operational principle and structure of controller ere described in detail. The equipment features constant
power cleaning function as generator of ultrasonic wave mid bubble. This meets the requirements of contamination cleaning and residual pesti-
cide removing on surface of tealeaves. The experiments prove that it possesses fast speed, excellent effect, easily implements the industrial con-
tool and preserves constant output power as well as conveniently controls to clean by ultrasonic wave.
Keywords; Ultrasonic cleaning Teatesves Single ch币computer
0引言
超声波是一种超过人类听力频率范围的声波,具
有频率高,方向性准,穿透能力强等特点,)一泛应用于
清洗,即离测量,医学等领域.超声清洗始于20世纪
50年代初,开始主要用于电子,光学和医药等领域,作
为一项实用性很强的技术,其应用场所广泛,涉及到大
的机械零部件,小半导体器件的清洗等,常常称作"无
刷清洗".
超声波清洗的主要特点是速度快,效果好,容易实
现工业控制等.针对复杂工件表面,如空穴,凹凸处,
普通清洗方法很难实现,而采用超声波就可以获得很
好的效果.随着声化学的出现与应用,再配合使用适
当的溶液,调节清洗液酸碱度等,清洗效果更好.
1超声波清洗原理
超声波清洗主要利用超声波在液体中的空化作用
将物体表面的污物层剥离,从而达到清洗的目的.超声
波在液体中产生的所谓超声空化,是指液体在超声波作
用下产生大量的非稳态的微小气泡和空泡(直径约50
一500 pat),这些气泡和空泡随超声波的振动反复生成,
闭合并迅速变大,闭合时会产二生压强高达几百乃至几千
Pa的微激波,因剧烈碰撞导致突然爆裂,使气泡周围产
生上千个大气压,这种现象称为"空化"现象.超声波在
液体中产生的稳定空化和微声流可以在待清洗的物体
表面提供一种溶解机制使沽染物溶解,从而在污染物和
被清洗物体表面形成使污染层脱落的稳态空化泡.稳
态空化和微声波有助于在水中把剥离下来的油脂乳化,
瞬态空化有可能击碎污染层而将其剥落.由于空化作
用极易在固体与液体交界面进行,且空化瞬间在局部产
生5 000 K以上的热点和上千个大气压,不仅能把附着
在物体表面和死角内的污物打散,而且振动加剧了溶液
的脉动和搅拌,更加强化了清洗的作用效果
因为茶青为较松软的植物,且有吸波的作用.所
以,采用"适当的超声波功率+气泡发生器"的形式.
经过实验验证,表明这种方法比单纯地用超声波换能
器能够更加有效地把空化作用扩散开,同时,在清洗茶
青过程中进行搅拌,改善清洗效果.
2超声波清洗机系统及结构设计
超声波清洗机由清洗槽,槽盖,换能器,超声波电
源,交流电流表,漩涡气泵,鼓泡管路,泄荷阀,空气流量
计,电加热管,数字温度控制器,电器控制台等组成.其
中,漩涡气泵作为气源;空气流量计用于采样,量化气泡
强度;泄荷阀用于调节气泡强度;气泡管路用于在清洗
槽中进行鼓泡,清洗槽由304不锈钢制作,作为清洗容
PROCKc' AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 27 No. 3 March 2006
机电一体化某青超声波清洗机的设计开发袁海.等
器;超声波换能器产生超声振动;超声波发生器设置定
时器功率可调,产生合适的超声波信号;交流电流表,
评估量化超声波电源功率;温度控制器冬夭温度较低时
候,可以设定控制水温,作为恒温装置使用;电器控制台
作为安放超声波发生器和电器控制装置的支架平台.
超声波换能器是由错钦酸铅压电陶瓷材料制造的
夹芯式换能器,压电陶瓷材料具有在电场作用下发生
尺寸变化的现象,在交变电场的作川下换能器会产生
机械振动.
设计时考虑到方便改变换能器的频率,采用了投
人式振子盒,安装在清洗槽的侧面,通过该装置向水中
传播振动来达到清洗月的.在槽底,通过风泵往水中
注人气泡,起到搅拌被清洗物并提高空化效果目的,如
图1所示.
3.1控制器总体设计
因为茶青在水中搅拌时容易使换能器的负载发生
变化(如图2所示).采用Microchip公司的单片机
PIC16C74B来跟踪频率,扫描步距2 Hz,通过采集换能
器的电流和电压,当单片机扫描到振动子共振点时,即
锁定.这时,振动子处于最佳工作状态.在换能器工作了
一段时间之后,由于负载变化引起振动子导纳发生变
化,流过振动子的电流随之下降.单片机通过A/D口随
时监视着振动子工作状态,一旦采样电平低于预置的比
较电平,单片机就又开始扫描,寻找新的共振点,再次锁
定.如此不断循环,实现了频率跟踪.由于这种跟踪过程
是靠软件来实现的,其寻找共振点的速度很快,能够弥
补其他方案中反馈难以控制或锁相环失锁等不足.
招声波转挽器
图1超声波换能器布置
Fig. 1 Structure of ultrasonic energy coverter
选择换能器频率,因为频率越低,在水中产生的空
化越容易,力度太大有可能把茶青击穿;相反,频率过
高,超声波的方向性强,适合精细的物件清洗,但是力
度太小,不容易去除茶青表面的"农残".最后,选择
28 kH:的超声频率.
3超声波清洗机控制器的设计
换能器控制的关键是要实现频率的跟踪.刚开始
把超声波用在清洗场合时,用的比较广泛的是他激式
的人工调节频率方式,这种方法不能达到实时跟踪频
率,且输出功率随负载的变化而变化.
随后,又推出了自激式超声波发生器,采用电跟踪
方案或者声跟踪方案,简单且易于实现,但很难控制反
馈信号的强弱.如果反馈信号太强,则振子的工作频
率很容易偏离设定值;当反馈信号在临界状态时,系统
又会停振,因此都不适合茶青清洗这种负载变化很大
的应用场合.
基于锁相方式实现频率跟踪,其优点是易于实现,
但容易失锁,尤其是在清洗茶青这类柔软,有吸波特性
的植物时,这种现象更加容易出现.为此,我们通过实
验,找出了一种比较理想的控制方法.
《自动化仪表》第27卷第3期2006年3月
图2整体设计框图
Fig. 2 Black diagram of integrated design
3.2单片机控制器的设计
通过PIC16C74h控制能白动跟踪锁定换能器的谐
振频率,通过PWM恒功率电路保证输出功率的恒定.
该芯片有4k的存储空间,能满足控制所需的简
单程序的存储;有两组PWM控制器,用来控制换能器
的开断;八通道的A/D转换通道,可以用来采样最终
到达换能器的电压和电流,以达到调整PWM波形和
恒功率的目的.
通过PIC16C74带有的三个A/D接口将电源电压
和电流转换,并将电压,电流值进行相乘,再与设定的
功率值比较,利用比较结果控制输出,输出恒功率,如
图3所示
这种自动频率跟踪调节系统,理论上输出功率可
以无级调节和确保任意点恒功率输出
3.3驱动电路的设计
IGBT具有MOSFET"场效应管"和GTR"大功率三
极管"的优点,输人阻抗高,速度快,热稳定性好和驱
动电路简单,又具有通态电阻低,耐压高,承受电流大
等特点,特别适用于超声波发生源.在设计时,IGBT
使用了西门子的相关模块,驱动保护电路用的是日本
富士公司的EXB841}
EXB841芯片具有单电源,正负偏压,过流检测,保
护等主要特点,是一种比较典型的驱动电路.功能比较
完善,在国内得到了广泛应用,其工作原理如图4所示.
机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发袁海.等
::::
图3单片机控制器电路图
Fig. 3 Circuit of single chip computer controller
图4中当EXB841输人端脚14和脚15有10 mA
的电流通过时,EXB841通过栅极电阻Rg向IGBT提
供电流,使之快速导通;当输人端脚14和脚15无电流
通过时,EXB841的脚3电位迅速下降至OV,其相对于
脚1低5 V,因此,使得IGRT关断.
针对EXB841软关断保护不可靠的问题,可以在
EXB841的脚5和脚4间接一个可变电阻,脚4和地之
间接一个电容,都是用来调节关断时间,保证软关断的
可靠性.针对负偏压不足的问题,可以考虑提高负偏
压.一般用负偏压是一5V,也可以用一8V的负偏压.
图4 EXB841工作原理图
Fig. 4 Operational principle of EXB84I
驱动电路中用Vz,,起保护作用,避免EXB841的脚6
承受过电压,通过V,,检测是否过电流,接Vz,的目的是
为了改变EXB模块过流保护起控点,以降低过高的保护
阀值从而解决过流保护阀值太高的问题.R和C及氏
接在+20 V电源上,以保证提供稳定的电压;Vz,和Vzi避
免栅极和身引N出现过电压,飞用于防止IGBT误导通.
针对EXR841存在保护盲区的间题,将EXB841的
脚6的超快速恢复二极管Vd.换成导通压降大一点的
超快速恢复二极管或反向串联的一个稳压二极管,也
可以采用对每个脉冲限制最小脉冲,使其大于盲区时
间,避免1GBT在脉宽太窄时输出大功耗.
4结束语
机电一体化茶青超声波清洗机采用PIC16C74B
单片机,并通过小步距扫描实现频率跟踪.经试验证
明能够很好地使超声波换能器保持恒定输出功率,且
可以方便地调节所需功率
参考文献
I张明柱,朱锦洪,梁文林IGBT保护有效性与EXB841的合理应
用【J」电工技术,2000, (10) :47 -49
2李振民,刘事明EXB841驭动模块得改进用法LJj.电工技术,
2002,(7) :40 -42.
3白天珠,张福成功率超声在食品,医药等领域的应用U」一声学
S由子一#!.990_(21.37 -40
冬,张宏建_基J嵌人式的智能化与网络化「J7白动化仪
,2004,25(2):1 -4.
哪表
5王子君,徐维胜,王中杰,等网络控制系统研究综述「Jl自动化
仪表,2005,26(10) :1 -5.
上海市科委科技发展基金资助项目(编号:035258051)
修改稿收到日期:2005 -07 -2氏
第一作者衰海,男,1982年生,现为上海交通大学电机与电器专业在
读硕士研究生;主要从事机电系统拉制研究
PROvFCS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 27 No. 3 March 2006
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Design and Development of Mechatronics Ultrasonic Tealeaves Cleaning Machine
衰海I志薪
(上海交通大学电气工程系,上海200030)
摘要:介绍了一种基于PIC单片机控制的超声波茶青清洗设备,给出了系统及结构的设计,单片机控制电路和功率放大电路的设
计,并较详细地阐述了几种换能器的性能比较和控制器的工作原理及结构,使其具有(超声波加气泡发生器)的恒功率清洗功能,满足
了茶青表面杂质清洗及去除农残的要求.经试验证明:超声波清洗速度快,效果好,容易实现工业控制,能保持恒定输出功率,且可以
方便地调节
关键词:超声波清洗茶青单片机
中图分类号:TN702文献标识码:A
Abstract: The ultrasonic tealeaves cleaning equipment based..PIC single chip computer is introduced. The design of structure and system
and the design of single chip computer based control c9rnuit and power amplifier are presented. In addition, the comparison of the performance
of several energy converters and the operational principle and structure of controller ere described in detail. The equipment features constant
power cleaning function as generator of ultrasonic wave mid bubble. This meets the requirements of contamination cleaning and residual pesti-
cide removing on surface of tealeaves. The experiments prove that it possesses fast speed, excellent effect, easily implements the industrial con-
tool and preserves constant output power as well as conveniently controls to clean by ultrasonic wave.
Keywords; Ultrasonic cleaning Teatesves Single ch币computer
0引言
超声波是一种超过人类听力频率范围的声波,具
有频率高,方向性准,穿透能力强等特点,)一泛应用于
清洗,即离测量,医学等领域.超声清洗始于20世纪
50年代初,开始主要用于电子,光学和医药等领域,作
为一项实用性很强的技术,其应用场所广泛,涉及到大
的机械零部件,小半导体器件的清洗等,常常称作"无
刷清洗".
超声波清洗的主要特点是速度快,效果好,容易实
现工业控制等.针对复杂工件表面,如空穴,凹凸处,
普通清洗方法很难实现,而采用超声波就可以获得很
好的效果.随着声化学的出现与应用,再配合使用适
当的溶液,调节清洗液酸碱度等,清洗效果更好.
1超声波清洗原理
超声波清洗主要利用超声波在液体中的空化作用
将物体表面的污物层剥离,从而达到清洗的目的.超声
波在液体中产生的所谓超声空化,是指液体在超声波作
用下产生大量的非稳态的微小气泡和空泡(直径约50
一500 pat),这些气泡和空泡随超声波的振动反复生成,
闭合并迅速变大,闭合时会产二生压强高达几百乃至几千
Pa的微激波,因剧烈碰撞导致突然爆裂,使气泡周围产
生上千个大气压,这种现象称为"空化"现象.超声波在
液体中产生的稳定空化和微声流可以在待清洗的物体
表面提供一种溶解机制使沽染物溶解,从而在污染物和
被清洗物体表面形成使污染层脱落的稳态空化泡.稳
态空化和微声波有助于在水中把剥离下来的油脂乳化,
瞬态空化有可能击碎污染层而将其剥落.由于空化作
用极易在固体与液体交界面进行,且空化瞬间在局部产
生5 000 K以上的热点和上千个大气压,不仅能把附着
在物体表面和死角内的污物打散,而且振动加剧了溶液
的脉动和搅拌,更加强化了清洗的作用效果
因为茶青为较松软的植物,且有吸波的作用.所
以,采用"适当的超声波功率+气泡发生器"的形式.
经过实验验证,表明这种方法比单纯地用超声波换能
器能够更加有效地把空化作用扩散开,同时,在清洗茶
青过程中进行搅拌,改善清洗效果.
2超声波清洗机系统及结构设计
超声波清洗机由清洗槽,槽盖,换能器,超声波电
源,交流电流表,漩涡气泵,鼓泡管路,泄荷阀,空气流量
计,电加热管,数字温度控制器,电器控制台等组成.其
中,漩涡气泵作为气源;空气流量计用于采样,量化气泡
强度;泄荷阀用于调节气泡强度;气泡管路用于在清洗
槽中进行鼓泡,清洗槽由304不锈钢制作,作为清洗容
PROCKc' AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 27 No. 3 March 2006
机电一体化某青超声波清洗机的设计开发袁海.等
器;超声波换能器产生超声振动;超声波发生器设置定
时器功率可调,产生合适的超声波信号;交流电流表,
评估量化超声波电源功率;温度控制器冬夭温度较低时
候,可以设定控制水温,作为恒温装置使用;电器控制台
作为安放超声波发生器和电器控制装置的支架平台.
超声波换能器是由错钦酸铅压电陶瓷材料制造的
夹芯式换能器,压电陶瓷材料具有在电场作用下发生
尺寸变化的现象,在交变电场的作川下换能器会产生
机械振动.
设计时考虑到方便改变换能器的频率,采用了投
人式振子盒,安装在清洗槽的侧面,通过该装置向水中
传播振动来达到清洗月的.在槽底,通过风泵往水中
注人气泡,起到搅拌被清洗物并提高空化效果目的,如
图1所示.
3.1控制器总体设计
因为茶青在水中搅拌时容易使换能器的负载发生
变化(如图2所示).采用Microchip公司的单片机
PIC16C74B来跟踪频率,扫描步距2 Hz,通过采集换能
器的电流和电压,当单片机扫描到振动子共振点时,即
锁定.这时,振动子处于最佳工作状态.在换能器工作了
一段时间之后,由于负载变化引起振动子导纳发生变
化,流过振动子的电流随之下降.单片机通过A/D口随
时监视着振动子工作状态,一旦采样电平低于预置的比
较电平,单片机就又开始扫描,寻找新的共振点,再次锁
定.如此不断循环,实现了频率跟踪.由于这种跟踪过程
是靠软件来实现的,其寻找共振点的速度很快,能够弥
补其他方案中反馈难以控制或锁相环失锁等不足.
招声波转挽器
图1超声波换能器布置
Fig. 1 Structure of ultrasonic energy coverter
选择换能器频率,因为频率越低,在水中产生的空
化越容易,力度太大有可能把茶青击穿;相反,频率过
高,超声波的方向性强,适合精细的物件清洗,但是力
度太小,不容易去除茶青表面的"农残".最后,选择
28 kH:的超声频率.
3超声波清洗机控制器的设计
换能器控制的关键是要实现频率的跟踪.刚开始
把超声波用在清洗场合时,用的比较广泛的是他激式
的人工调节频率方式,这种方法不能达到实时跟踪频
率,且输出功率随负载的变化而变化.
随后,又推出了自激式超声波发生器,采用电跟踪
方案或者声跟踪方案,简单且易于实现,但很难控制反
馈信号的强弱.如果反馈信号太强,则振子的工作频
率很容易偏离设定值;当反馈信号在临界状态时,系统
又会停振,因此都不适合茶青清洗这种负载变化很大
的应用场合.
基于锁相方式实现频率跟踪,其优点是易于实现,
但容易失锁,尤其是在清洗茶青这类柔软,有吸波特性
的植物时,这种现象更加容易出现.为此,我们通过实
验,找出了一种比较理想的控制方法.
《自动化仪表》第27卷第3期2006年3月
图2整体设计框图
Fig. 2 Black diagram of integrated design
3.2单片机控制器的设计
通过PIC16C74h控制能白动跟踪锁定换能器的谐
振频率,通过PWM恒功率电路保证输出功率的恒定.
该芯片有4k的存储空间,能满足控制所需的简
单程序的存储;有两组PWM控制器,用来控制换能器
的开断;八通道的A/D转换通道,可以用来采样最终
到达换能器的电压和电流,以达到调整PWM波形和
恒功率的目的.
通过PIC16C74带有的三个A/D接口将电源电压
和电流转换,并将电压,电流值进行相乘,再与设定的
功率值比较,利用比较结果控制输出,输出恒功率,如
图3所示
这种自动频率跟踪调节系统,理论上输出功率可
以无级调节和确保任意点恒功率输出
3.3驱动电路的设计
IGBT具有MOSFET"场效应管"和GTR"大功率三
极管"的优点,输人阻抗高,速度快,热稳定性好和驱
动电路简单,又具有通态电阻低,耐压高,承受电流大
等特点,特别适用于超声波发生源.在设计时,IGBT
使用了西门子的相关模块,驱动保护电路用的是日本
富士公司的EXB841}
EXB841芯片具有单电源,正负偏压,过流检测,保
护等主要特点,是一种比较典型的驱动电路.功能比较
完善,在国内得到了广泛应用,其工作原理如图4所示.
机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发袁海.等
::::
图3单片机控制器电路图
Fig. 3 Circuit of single chip computer controller
图4中当EXB841输人端脚14和脚15有10 mA
的电流通过时,EXB841通过栅极电阻Rg向IGBT提
供电流,使之快速导通;当输人端脚14和脚15无电流
通过时,EXB841的脚3电位迅速下降至OV,其相对于
脚1低5 V,因此,使得IGRT关断.
针对EXB841软关断保护不可靠的问题,可以在
EXB841的脚5和脚4间接一个可变电阻,脚4和地之
间接一个电容,都是用来调节关断时间,保证软关断的
可靠性.针对负偏压不足的问题,可以考虑提高负偏
压.一般用负偏压是一5V,也可以用一8V的负偏压.
图4 EXB841工作原理图
Fig. 4 Operational principle of EXB84I
驱动电路中用Vz,,起保护作用,避免EXB841的脚6
承受过电压,通过V,,检测是否过电流,接Vz,的目的是
为了改变EXB模块过流保护起控点,以降低过高的保护
阀值从而解决过流保护阀值太高的问题.R和C及氏
接在+20 V电源上,以保证提供稳定的电压;Vz,和Vzi避
免栅极和身引N出现过电压,飞用于防止IGBT误导通.
针对EXR841存在保护盲区的间题,将EXB841的
脚6的超快速恢复二极管Vd.换成导通压降大一点的
超快速恢复二极管或反向串联的一个稳压二极管,也
可以采用对每个脉冲限制最小脉冲,使其大于盲区时
间,避免1GBT在脉宽太窄时输出大功耗.
4结束语
机电一体化茶青超声波清洗机采用PIC16C74B
单片机,并通过小步距扫描实现频率跟踪.经试验证
明能够很好地使超声波换能器保持恒定输出功率,且
可以方便地调节所需功率
参考文献
I张明柱,朱锦洪,梁文林IGBT保护有效性与EXB841的合理应
用【J」电工技术,2000, (10) :47 -49
2李振民,刘事明EXB841驭动模块得改进用法LJj.电工技术,
2002,(7) :40 -42.
3白天珠,张福成功率超声在食品,医药等领域的应用U」一声学
S由子一#!.990_(21.37 -40
冬,张宏建_基J嵌人式的智能化与网络化「J7白动化仪
,2004,25(2):1 -4.
哪表
5王子君,徐维胜,王中杰,等网络控制系统研究综述「Jl自动化
仪表,2005,26(10) :1 -5.
上海市科委科技发展基金资助项目(编号:035258051)
修改稿收到日期:2005 -07 -2氏
第一作者衰海,男,1982年生,现为上海交通大学电机与电器专业在
读硕士研究生;主要从事机电系统拉制研究
PROvFCS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 27 No. 3 March 2006
·下一篇：关于2004年度延边朝鲜族自治州