基于单片机的自适应清洁水槽设计

基于单片机的 自适应清洁水槽设计

宿芳 杨侯鹰 王志鹏 虞海洋 苏中乾

辽宁科技学院 辽宁本溪

摘要：本文拟通过制作的自适应清洁水槽实现自动化清洗水槽内放置的厨具，该项目基于清洗行业的发展、节水、环境保护、成本控制的要求，因此设计了一种既满足刷洗效率高要求，又能节水环保的自适应清洁水槽。该水槽能实现下水过程利用水流发电从而存储电能，从而对传感器系统供电，并对水槽内放置物体实现自适应水处理，利用超声波系统实现对放置的厨具进行主动自激发式清洁，最终完成对瓷器类等物体和厨具的清洁。

关键词: 超声波换能器；清洗机；单片机

一、背景

近10年来，超声波清洗正在朝两个方面发展。一是各种类型的多缸或传动链式或升降式超声清洗生产线相继面市；二是低频超声波清洗机向高频超声波清洗机的发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声波清洗设备总量已呈明显上升之势，高达总量的50％，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声波清洗线体设备也已上升到总量的40％以上^[1]。目前，我国的超声波清洗技术已取得良好成效，超声波清洗设备制造企业近40家。

超声波是频率超过20kHz的声波，超声波清洗的原理是通过超声波转化为动能作用于物件表面，对于用金属、陶瓷、玻璃等固体材料制作的零件或物品，振动能量能够传递，并且衰减很小，使零件或物品里、外都能清洗很干净^[2]。同时，超声波清洗广泛应用在除油除锈、精密零件表面油脂清洗等方面，该清洗方式比普通方法节省能源，具有成本低、效率高、清洗过程简单等优势。由此可见，超声波清洗技术推广普及的前景十分广阔。

二、设计思路

自适应清洁水槽实现下水过程利用水流发电从而存储电能，从而对传感器系统供电，并对水槽内放置物体进行检测判断，实现自适应水处理，利用超声波系统实现对放置的厨具进行主动自激发式清洁，最终完成对瓷器类等物体和厨具的清洁。设计智能清洁水槽，将入水口的水压和出水口的水压通过微型水力发电机转化成电能，将电能存储到蓄电池中，并通过直流转交流转化器，将电能输送到水槽两端的超声波换能器上，超声波与液体介质相互作用所产生的“空化效应”、“剪切效应”、“活化效应”，使污物层分散、乳化、剥离，从而使之脱离被清洗物件表面，进而达到清洗过程节约电能、减少洗涤剂排放的目的。

图1-系统工作流程

频率自动跟踪由单片机实现，判断频率是否同步的标准是换能器负载回路的电流和电压是否同相,即换能器振荡回路是否处于谐振点^[3]。为达到该水槽的最大匹配度并提高清洗系统的稳定性，此处应用电压最大值法实现频率跟踪，在超声换能器的负载回路中串联谐振电路，当电路出现谐振状态时，换能器上的电压达到最大值。

三、系统设计

3.1工作电路设计

超声波清洗设备的电子主板可实现高精度清洗，应用超声波穿过微小间隙和孔，可应用于清洗具有复杂形状的物体。选择最佳的声强、频率及清洗槽声场分布等参数可进一步实现超声波清洗的高效率，故工作频率选在20—50kHz之间。低频声波易于清洗较粗糙物品，高频声波易于清洗精细且形状复杂的物品。

该
主板将不同电压、不同功能的用电器连接起来，并提供相应电源，使得各个用电器接收外来数据、相互传递信息，最终将内部设备处理的数据集中化并传递给外界。利用高频超声震动，以水作为介质，促使水分子膨胀产生真空分子爆破，清洗附着在厨具上的污垢、细菌、油脂而不会对其造成损坏。

图2-主板电路

3.2驱动电路设计

超声波发生器与换能器阻抗相匹配，使得超声波换能器高效工作。相反，如果不匹配则导致超声波发生器和换能器的性能降低，甚至损坏器件。超声波发生器与换能器的匹配设计包括阻抗匹配、谐振匹配两方面。阻抗匹配是由于超声波电源需要一个最佳负载才能输出额定功率,这样通过阻抗匹配使超声波换能器的阻抗变换为最佳负载,超声波电源才能向超声波换能器输出额定的电功率^[4]。

图
3-驱动板电路

在该驱动板电路中，10个规格为C3998的三极管并联，应用两个规格为10UF/250V的电解电容器元件，如图3所示。超声发生器不同于一般放大器，两者的重要区别在于匹配电路部分。普通放大器与负载之间的匹配只牵连到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间则除了阻抗变换之外，还有调谐。如果想让整个系统达到匹配，使得换能器才能正常工作，那么必须同时进行阻抗变换和调谐。

四、结束语

超声波清洗的机理是超声波与液体介质相互作用所产生的“空化效应”、“剪切效应”、“活化效应”，破坏污垢的附着，从而使之脱离被清洗物件表面^[5-6]。该自适应清洁水槽在传统系统设计的基础上提出了一种新式水槽自适应控制系统设计。自适应电源系统安装并密闭在水槽主体内，利用直流转交流器对传感器进行供电，从而实现电能输送到水槽两端的超声波换能器上，超声波在水中超声空化作用、加速度作用、直进流作用，对厨房清洗餐具的液体及污渍进行自激发式清洁，最终完成对瓷器类等物体和厨具的清洁。该系统设计的结构简单，集成度高，显示准确清晰。经过实验测试，各部分显示运行正常，成功地达到了设计要求。通过与设计的主板电路和驱动板电路结合，对系统程序的测试与调试，最终使得清洁水槽正常运行，实现了运用超声波清洗的基本功能。

备注：本文得到辽宁科技学院大创项目的支持

参考文献：

[1]闫圣坤.基于单片机的超声波清洗机的设计.2011.

[2]赵明华，赵夙铭，钱成文，等．国外LNG接收终端及其发展趋势[J].油气储运，2006，25( 1):10－14.

[3]齐延兴，杨雪银.基于SPCE061A单片机的超声波清洗机设计[A].中国测试，2009，35（4）.

[4]万金华，陈晓琴.多功能超声波清洗器的设计.

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