農用超聲波發生器的設計

摘 要:超聲波檢測迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工農業實用的要求。超聲波發生器就是利用超聲波的這些優點來對目標進行實時處理的。在此設計的農用超聲波發生器可生成1.5~1.8 MHz頻率段的超聲波，該超聲波可用來殺滅水蚤。該超聲波發生器利用8051單片機生成2個連續信號，依次經過驅動電路、倍頻電路、整波電路、和頻電路、選頻電路的相關處理后從發射端口發射出去。通過對信號檢測模塊的檢測結果分析可知:發射信號能夠達到預定要求。本超聲波發生器具有成本低廉、結構簡單、操作便易、用途多樣化等諸多優點，可以在農業及其相關領域普及使用。

關鍵詞:超聲波發生器; 8051單片機; 農業; 信號檢測模塊

中圖分類號:TN98; TP217 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)14-0175-05

Design of Agricultural Ultrasonic Generator

QIN Yu-xia， YU Jian-ming， CHENG Yan， CUI Gen-qun

(College of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China)

Abstract:The ultrasonic wave is convenient， simple and easy to control real-timely in examination， which can reach the agriculture and industry practical requirement in the aspect of measuring accuracy. Ultrasonic generator can make a real-time processing on a target in the use of these advantages of the ultrasonic wave. The designed agricultural ultrasonic generator can generate 1.5~1.8 MHz ultrasonic wave， the ultrasound can be used to kill water fleas. The ultrasonic generator generates two consecutive signals in the use of 8051 single chip microcomputer， After the dispose of the driving circuit， frequency multiplier circuit， squaring circuit， sum frequency circuit and frequency selection circuit，the waves launch out from the launch port. After the analysis of the signal detection module， the transmit signals reach to the requirement. The ultrasonic generator has advantages of low cost， simple structure， easy operation， diversity of usage and others， it can be used widely in the agriculture and other fields.

Keywords:ultrasonic generator; 8051 single chip microcomputer; agriculture; signal detection module

自19世紀末到20世紀初，在物理學上發現了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發展與推廣超聲技術的歷史篇章。超聲波發生器的發展與工農業的發展相伴相生，應用十分廣泛[1-2]，本設計的超聲波發生器是利用單片機生成初始信號，然后經過一系列處理電路[3-4]的作用后生成用來殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農業上加以采用。

在此對3個模塊進行設計:

(1) 信號發生模塊。12 MHz的8051單片機硬件連接及其程序設計。

(2) 信號處理模塊。驅動電路設計(CD4069非門集成芯片);倍頻電路設計(S9014或ECG108三極管、104普通電容、11 257.9 nH自制電感、1kΩ電阻);整波電路設計(CD4069非門集成芯片);和頻電路設計(CD4081與門集成芯片);選頻電路設計(S9014或ECG108三極管、104普通電容、112.58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。

(3) 信號檢測模塊、數字示波器的連接。

在上述研究基礎上，設計一臺超聲波發生器樣機，其技術指標如下:輸入電壓:220 VAC(50 Hz);開關頻率:1.5~1.8 MHz;最大的輸出功率:500 W;功率范圍:50~500 W。

1 信號發生模塊的設計

選取一個8051單片機芯片，將晶振電路、復位電路、電源電路連接到單片機相應的引腳上組成單片機的最小系統[5]。利用單片機的中斷資源和I/O口資源進行相應連接并進行程序編輯[6]:用P3.2口控制初始信號的發射與否，用P0.0口、P0.1口發射初始信號，如圖1所示。

2 信號處理模塊的設計

2.1 驅動電路的設計

如果將兩列波(0.03 MHz)直接從單片機的輸出口P0.0和P0.1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會由于電流小而不能驅動倍頻電路。從這點來考慮就需要在單片機與倍頻電路之間接入一個驅動電路，如圖2所示。在單片機的一個輸出口接一個非門，而后接入由4個非門并聯的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅動電路的功能(若用方波發生器來代替單片機就可省略驅動電路)。

圖1 信號發生模塊圖示

2.2 倍頻電路的設計

根據電容電感元件的基本特性，以及電路的相關知識可以由已知條件得出:

xC=1ωC=12πfC，xL=ωL=2πfL

如圖3所示，當在LC并聯電路中發生并聯諧振時，由電路的特性可知:

z=(r+jωL)#8226;(1/jωC)(r+jωL)+(1/jωC)=1jωC-[ 1/ωL] +(RC/L)

f0=12πLC

并聯諧振具有下列特征:

(1) 諧振時電路的阻抗摸為|Z0|=1/(RC/L)=L/RC。其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時達到最小值，即I=I0=U/(L/RC)=U/|Z0|。

(2) 由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0)，因此電路對電源呈現電阻性。諧振時電路的阻抗摸|Z0|相當于一個電阻。

(3) 諧振時各并聯支路的電流為:IL=U/2πf0L;IC=U/(1/2πf0C)，可見IL=IC>I0，品質因數Q=IL/I0。

(4) 當電路發生諧振時，電路阻抗摸最大，電流通過時在電路兩端產生的電壓也是最大。當電源為其他頻率時電路不發生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質因數Q值越大，選擇性越強。

圖2 驅動電路

圖3 LC振蕩電路

通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個工作區:

(1) 放大區。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區，Ic=βIb。放大區也稱為線性區，因為Ic和Ib成正比的關系。當晶體管工作于放大區時，發射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置，即對NPN型管來說，應使Ube>0，Ubc<0。

(2) 截止區。Ib=0的曲線以下的區域稱為截止區。Ib=0時，Ic=Iceo。對NPN型硅管而言，當Ube<0.5 V時，即已經開始截止，但是為了截止可靠，常使Ube<0。截止時集店結也處于反向偏置。

(3) 飽和區。當Uce

LC選頻電路接在集電極電路中，通過的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓)，它是并聯交流電路。當發生并聯諧振時，諧振頻率可求得，當將振蕩電路與電源接通時，在擾動信號中只有頻率為f0的分量才發生并聯諧振。在并聯諧振時，LC并聯電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當于集電極負載電阻Rc)。因此，對f0這個頻率來說，電壓放大倍數最高，當滿足自激振蕩的條件時，就產生自激振蕩。對于其他頻率的分量，不能產生并聯諧振，這就達到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號。當改變LC電路的參數L或C時，輸出信號的振蕩頻率也就改變，于是就可以進行倍頻，本實驗用的是五倍頻，如圖4所示。

在實驗中已知頻率和電容參數計算電感參數，由已知條件可得:L1=L2=11 257.9nH;L3=112.58 nH。

圖4 5倍頻電路

由單片機輸出的信號頻率即在A1點或A2點(0.03 MHz)經由5倍頻放大后輸出的信號頻率應為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(0.15 MHz)，仿真結果如圖5所示。

圖5 倍頻電路仿真結果

2.3 整波電路的設計

在本實驗中運用的是CD4069集成非門電路，非門主要是將輸入信號波整合成方波以便于后面與門對波的進一步處理。只要工作電壓達到非門的開啟電壓經過這樣的處理就可將輸入波整合成方波，如圖6所示。

由5倍頻放大器輸出的信號頻率即在A3點或A4 點(0.15 MHz)經由兩個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應為方波，仿真結果如圖7所示。

圖6 整波電路

圖7 整波電路仿真

2.4 和頻電路的設計

在本實驗中運用的是CD4081集成與門電路[4]，與門主要是將輸入的兩列方波信號相互作用后再輸出，而后進入后面的5倍頻電路進行進一步的處理。在本實驗中與門起到了乘法器的作用，并且可以減少雜波的干擾，使實驗效果更加良好。

其中與門實現和頻的原理是實驗中的關鍵，下面就對此做出討論[7-8]:設兩列占空比為1∶1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分別為f0和f1=f0+Δ，其中f0為標準頻率，f1為待測頻率，設f1≥f0且1≤f1/f0<2(同理可證明f0≥f1且1≤f0/f1<2的情況)，Δmax=max{Δ}

b(t)=12+2πcos ω0t-13cos 3ω0t+15cos 5ω0t-…=12+2π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω0t

x(t)=12+2πcos ω1t-13cos 3ω1t+15cos 5ω1t-…=12+2π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω1t

ω0=2πf0，ω1=2πf1

b(t)#8226;x(t)=14+1π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω0t+1π∑∞k=0(-1)k12k+1cos(2k+1)ω1t+

4π2∑∞i=0(-1)i2i+1∑∞j=0(-1)j2j+1{cos[(2i+1)ω0+(2j+1)ω1]t+cos[(2i+1)ω0-(2j+1)ω1]t}

根據傅里葉有關定理知:設周期為2l周期函數f(x)滿足收斂定理條件，則它的傅里葉級數展開式為:

f(x)=a0/2+∑(anxcos nπx/l+bnxsin nπx/l)，x∈c

an=1/l∫f(x)cos nπx/ldx， n=0，1，2，…

bn=1/l∫f(x)sin nπx/ldx， n=1，2，…

c={x/f(x)=1/2[f(x-)+ f(x+)]}

當f(x)為奇函數時:

f(x)=∑bnxsin nπx/l(x∈c)

其中:

bn=2/l∫f(x)sin nπx/ldx， n=1，2，…

當f(x)為偶函數時:

f(x)=a0/2+∑anxcos nπx/l (x∈c)

其中:

an=2/l∫f(x)cos nπx/ldx， n=0，1，2，…

假設一個方波函數:

f(x)= 0，-2

k，0

an=1/2∫kcos nπx/2dx=[k/nπsin nπx/2]=0

n≠0，a0=k

bn= 1/2∫(ksin nπx/2)dx=[(-k/n)πcos nπx/2]

= 2k/nπ， n=1，3，5，…

0， n=2，4，6，…

則:

f(x)=k/2+2k/π[ sin πx/2+(1/3)sin 3πx/2+

(1/5)sin 5πx/2+…]

假設有兩列波:

方波1可表示為:

sin ω1t+(1/3)sin 3ω1t+(1/5)sin 5ω1t+…

方波2可表示為:

sin ω2t+(1/3)sin 3ω2t+(1/5)sin 5ω2t+…

方波1乘以方波2就為ω1+ω2波。

本實驗中方波1(0.15 MHz)與方波2(0.15 MHz)經過與門后就變成0.3 MHz(0.15 MHz+0.15 MHz)的方波，如圖8所示。

由非門輸出的信號頻率即在A5點(0.15 MHz)或A6點(0.15 MHz)經由與門后輸出的信號應為頻率為0.3 MHz的方波(即在A7點)，仿真結果如圖9所示。

圖8 和頻電路

圖9 和頻電路仿真

2.5 選頻電路的設計

在本實驗中運用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，如圖10所示。

由與門輸出的信號頻率即在A7點(0.3 MHz)經過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5 MHz，仿真結果如圖11所示。

圖10 5倍選頻電路

圖11 5倍選頻電路仿真

2.6 整體電路的設計

整體電路如圖12所示。

由單片機輸出的信號頻率即在A1點或A2點(0.03 MHz)經由5倍頻放大后輸出的信號頻率應為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(0.15 MHz);經由2個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應為方波;由非門輸出的信號頻率即在A7點應為兩列方波經由與門后輸出的信號應為頻率相加的方波(0.3 MHz);由與門輸出的信號頻率即在A7點經過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5MHz(A8點)，仿真結果如圖13所示。

3 信號檢測模塊的設計

在本設計中由信號發生模塊發出0.03 MHz初始信號后，經過信號處理模塊后是否達到預定要求，這需要經過檢測模塊檢測最終信號是否達到1.5~1.8 MHz的頻率要求。本模塊由數字示波器來進行檢測的[9]，經過查看圖形，設計達到預期要求，如圖14所示。

4 結 語

本設計中設計的農用超聲波發生器結構簡單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩定。該超聲波發生器不僅可以在農業上用來殺滅水蚤，而且可以一機多用，因為該機的功能完全取決于8051單片機的所編程序，根據實際需要，可以隨時改變程序設計來滿足要求，可移植性好。該超聲波發生器成本較低，實用性好，便于在農業上廣泛普及。

圖12 整體電路

圖13 整體電路仿真

圖14 信號檢測模塊

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