超聲波清洗機的設計

劉元昊 王茜 韓昱竹 段世杰 劉懿磊

摘 要：超聲波清洗機的設計主要包括結構設計和控制系統設計，鑒于此，首先闡明了超聲波清洗的原理，其次介紹了清洗機結構模塊的設計，最后說明了控制系統的構成，詳細分析了如何利用單片機對超聲波清洗機的電機進行正反轉及調速控制，從而達到更好的清洗效果。

關鍵詞：超聲波;清洗機;電機調速

0? ? 引言

目前，在人們的生活中，超聲波清洗技術應用廣泛，隨著對超聲波清洗技術研究的不斷深入，超聲波清洗的成本越來越低，而其帶來的經濟效益越來越高，因此超聲波清洗深受大眾喜愛。“空化作用”和“直進流作用”是超聲波清洗的兩個重要作用，超聲波清洗主要就是利用超聲波在液體中的“空化作用”和“直進流作用”對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，其每秒震動次數極多。超聲波在介質中傳播時會導致附近質點的劇烈運動，從而使附近質點獲得能量。超聲波清洗技術就是依靠超聲波在介質質點處震動能力足夠高引發“超聲波空化現象”。被清洗物件表面的污漬可以被沖擊力剝離或者出現裂縫，持續不斷地沖擊，最終可以使污垢迅速剝落于被清洗物的表面[2]。

最簡單的超聲波清洗設備由超聲波發生器、換能器和清洗槽3個模塊構成，3個模塊相互結合、共同構成超聲波清洗機。超聲波發生器在超聲波清洗設備中起到產生并向換能器提供超聲能量和將電能轉換成高頻交流電信號的作用，是整個清洗裝置中必不可少的一部分。換能器主要將超聲波發生器輸入的電功率轉化成高強度的機械震動功率傳遞到清洗槽。超聲波清洗結構示意圖如圖1所示。

2? ? 清洗機的結構設計

清洗機的結構設計主要包括清洗機外殼、進水口、排水口、支撐腳、清洗槽內部的洗涮輥以及控制電機正反轉的按鈕，如圖2所示。

清洗機的外殼由內外兩層構成，內層安裝若干個超聲波振子，外層起到與外界隔離和安全保護的作用，一是防止清洗過程中迸濺的水流接觸到超聲波振子，造成線路短路等問題;二是防止外界的灰塵粘連在超聲波振子上影響清洗效果。

進水口是清洗槽和外界水流管道的連接樞紐，外界水流通過進水口流入到清洗槽的內部。凹形污物收集盒位于清洗槽內部的右側，可以進行拆卸和安裝。凹形污物收集盒上開有一定直徑的圓形網格小孔，當污物外形過大時便可留在污物收集盒內部，污物在收集盒內積累到一定數量和質量時，可將整個污物收納盒拆卸下來，將里面的污物傾瀉到固定的位置。

根據預先設置的清洗目標，當清洗完成后打開排水口，污水會順著網格小孔排放到外面。

圓形支撐腳主要起到對清洗機支撐的作用。

洗涮輥安裝在清洗槽內部中央位置，方便更大程度地對清洗槽內部的水流起到攪拌的作用，從而縮短整個清洗過程的時間。通過驅動電機來使洗涮輥轉動，通過控制電機的不同轉速，經過傳動裝置可以給予洗涮輥不同的速度，洗涮輥不同的轉動速度對清洗槽內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? ? 清洗機控制系統設計

超聲波清洗機的微處理器采用STC89C51單片機，對清洗機運行的整體清洗過程進行控制[3]。整個裝置的主要電路有電機驅動調速電路和超聲波發生器通斷電路。通過接通與斷開繼電器來控制超聲波發生器是否工作。供電電源主要采用220 V家庭交流電壓，清洗機使用變壓模塊和穩壓模塊分別轉化為單片機所需要的5 V直流電源和驅動直流電機所需的12 V直流電源[4]。構建的系統整體如圖3所示。

3.1? ? 直流電機調速

在清洗槽的底部放置一個直流電機，直流電機通過傳動裝置和位于清洗槽內部的洗涮輥進行連接，這樣就可以通過直流電機來帶動清洗槽內部的洗涮輥轉動，從而帶動清洗槽內部清洗液流動，起到良好的攪拌作用，進而大大縮短被清洗物件表面污漬被分離的時間。清洗槽內部水流動得越快，清洗效果越明顯，因此通過調節電機的不同轉速可以達到不同的清洗效果。

直流電機調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級調速，但調速范圍不大，存在一定的局限性。改變串接電阻大小的方法在電機空載和輕載的情況下，電機的調速范圍比較小，并且在調速電阻上有能量損耗，經濟效益比較差。基于以上兩種電機調速方法的特性，超聲波清洗機的直流電機采用改變電樞電壓的調速方法。

采用PWM調速方法改變電機兩端電壓的大小，輸出的平均電壓為U=U0t1/（t1+t2），其中t1為一個周期內高電平所持續的時間，t2為一個周期內低電平所持續的時間，U0為總電壓，占空比α=t1/（t1+t2）。由上述公式可知，要想實現對直流電機的調速，可在電源總電壓不變的情況下，改變占空比的大小。

3.2? ? 系統硬件設計

超聲波清洗機硬件系統主要包括12 V直流電機模塊、鍵盤調速控制模塊、示波器觀察波形模塊、STC89C51單片機模塊、L298N電機驅動模塊等。單片機正常工作有3個必要條件：電源、時鐘電路、復位電路。L298N模塊是一種雙H橋電機驅動芯片模塊，其擁有4個通道的邏輯電路。VS端被連接到電動機驅動電源，邏輯控制電源連接VSS。ENA、ENB引腳為控制使能端，電機正轉時IN1引腳和IN2引腳分別輸入PWM信號和低電平信號，當電機反轉時再將IN1引腳和IN2引腳的信號互換，從而達到控制12 V直流電機正反轉的目的，并且通過改變PWM信號的占空比可以實現電機的調速。示波器一端連接在IN1引腳端，另一端連接在IN2引腳端，示波器主要用來觀察輸出波形的占空比。鍵盤控制模塊為獨立按鍵模塊，按下不同的按鍵，直流電機按不同的轉向和速度運行[5]。系統的硬件設計如圖4所示。