農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)覺(jué)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的方法，從今快速揭開(kāi)了進(jìn)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的進(jìn)展與工農(nóng)業(yè)的進(jìn)展相伴相生，應(yīng)用非常廣泛，本設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器是利用生成初始信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一系列處理的作用后生成用來(lái)殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農(nóng)業(yè)上加以采納。在此對(duì)3個(gè)模塊舉行設(shè)計(jì)：(1)信號(hào)發(fā)生模塊。12 mhz的80硬件銜接及其程序設(shè)計(jì)。(2)信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(cd4069非門(mén)集成芯片)；倍頻電路設(shè)計(jì)(s9014或ecgl08、104一般、11 2579 nh自制、1 k)；整波電路

2、設(shè)計(jì)(cd4069非門(mén)集成芯片)；和頻電路設(shè)計(jì)(cd4081與門(mén)集成芯片)；選頻電路設(shè)計(jì)(s9014或ecgl08三極管、104一般電容、11258 nh自制電感、1 k電阻)。(3)信號(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字的銜接。在上述討論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入：220 vac(50 hz)；開(kāi)關(guān)頻率：1518 mhz；最大的輸出功率：500 w；功率范圍：50500 w。1 信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)選取一個(gè)8051單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路銜接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和io口資源舉行相應(yīng)銜接并舉行程序編輯：用p32口控制初始信號(hào)的放

3、射與否，用p0o口、p01口放射初始信號(hào)，1所示。2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)21 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)假如將兩列波(003 mhz)挺直從單片機(jī)的輸出口poo和p01輸出接入后面的5倍頻電路，可能會(huì)因?yàn)樾《荒茯?qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來(lái)考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，2所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門(mén)，而后接入由4個(gè)非門(mén)并聯(lián)的電路，因?yàn)榉情T(mén)是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號(hào)能量大大提高，起到驅(qū)動(dòng)電路的功能(若用方波發(fā)生器來(lái)代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路)。22 倍頻電路的設(shè)計(jì)按照電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)學(xué)問(wèn)可以由已知條件得出：3所示，當(dāng)在lc并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，由

4、電路的特性可知：并聯(lián)諧振具有下列特征：(1)諧振時(shí)電路的阻抗摸為|zo|=1(rcl)=lrc。其值最大，即比非諧振狀況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓u一定的狀況下，電路中的電流i將在諧振時(shí)達(dá)到最小值，即i=io=u(lrc)=u|zo|。(2)因?yàn)殡娫措妷号c電路中電流同相(=0)，因此電路對(duì)電源展現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。(3)諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為：il=u2fol；ic=u(12foc)，可見(jiàn)il=icio，品質(zhì)因數(shù)q=ilio。(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，電路阻抗摸最大，電流通過(guò)時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)生諧振，阻抗摸較小，電路兩

5、端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質(zhì)因數(shù)q值越大，挑選性越強(qiáng)。通常把晶體管的輸出特性曲線(xiàn)分為3個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)。輸出特性曲線(xiàn)的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，ic=ib。放大區(qū)也稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū)，由于ic和ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí)，放射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對(duì)npn型管來(lái)說(shuō)，應(yīng)使ubeo，ubco。(2)截止區(qū)。ib=0的曲線(xiàn)以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。ib=0時(shí)，ic=iceo。對(duì)npn型硅管而言，當(dāng)ubeo5 v時(shí)，即已經(jīng)開(kāi)頭截止，但是為了截止牢靠，常使ubeo。截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。(3)飽和區(qū)。當(dāng)uceube時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工

6、作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，ib的變幻對(duì)ic的影響較小，兩者不成正比，放大區(qū)的不能適用于飽和區(qū)。飽和時(shí)，放射結(jié)也處于正向偏置。本試驗(yàn)是利用三極管的放大作用，舉行5倍頻放大并選頻，因此是第1種狀況。lc選頻電路接在集電極電路中，通過(guò)的溝通電流為ic，其兩端溝通電壓為uce(即為輸出電壓)，它是并聯(lián)溝通電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時(shí)，在擾動(dòng)信號(hào)中惟獨(dú)頻率為f0的重量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時(shí)，lc并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻rc)。因此，對(duì)f0這個(gè)頻率來(lái)說(shuō)，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿(mǎn)足自激振蕩的條件時(shí)，就產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于其他頻率的重量，不能

7、產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)變lc電路的參數(shù)l或c時(shí)，輸出信號(hào)的振蕩頻率也就轉(zhuǎn)變，于是就可以舉行倍頻，本試驗(yàn)用的是五倍頻，4所示。在試驗(yàn)中已知頻率和電容參數(shù)計(jì)算電感參數(shù)，由已知條件可得：ll=l2=112579 nh；l3=11258 nh。由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在a1點(diǎn)或a2點(diǎn)(003 mhz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為a3點(diǎn)或a4點(diǎn)(o15 mhz)，結(jié)果5所示。23 整波電路的設(shè)計(jì)在本試驗(yàn)中運(yùn)用的是cd4069集成非門(mén)電路，非門(mén)主要是將輸入信號(hào)波整合成方波以便于后面與門(mén)對(duì)波的進(jìn)一步處理。只要工作電壓達(dá)到非門(mén)的

8、開(kāi)啟電壓經(jīng)過(guò)這樣的處理就可將輸入波整合成方波，6所示。由5倍頻輸出的信號(hào)頻率即在a3點(diǎn)或a4點(diǎn)(015 mhz)經(jīng)由兩個(gè)非門(mén)后(即在a5點(diǎn)或a6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波，仿真結(jié)果7所示。24 和頻電路的設(shè)計(jì)在本試驗(yàn)中運(yùn)用的是cd4081集成與門(mén)電路，與門(mén)主要是將輸入的兩列方波信號(hào)互相作用后再輸出，而后進(jìn)入后面的5倍頻電路舉行進(jìn)一步的處理。在本試驗(yàn)中與門(mén)起到了乘法器的作用，并且可以削減雜波的干擾，使試驗(yàn)效果越發(fā)良好。其中與門(mén)實(shí)現(xiàn)和頻的原理是試驗(yàn)中的關(guān)鍵，下面就對(duì)此做出研究：設(shè)兩列占空比為1；1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分離為f0和f1= f0+，其中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f1為待測(cè)頻率，設(shè)f

9、1f0且1f1f02(同理可證實(shí)f0f1且1f0fl2的狀況)，max=maxf0。將兩方波b(t)和x(t)加到與門(mén)的輸入端(相乘)，則產(chǎn)生b(t)·x(t)的輸出。兩個(gè)方波按偶函數(shù)綻開(kāi)為：按照傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為2l周期函數(shù)f(x)滿(mǎn)足收斂定理?xiàng)l件，則它的傅里葉級(jí)數(shù)綻開(kāi)式為：假設(shè)有兩列波：方波1可表示為：sin1t+(1/3)sin31t+(1/5)sin51t+方波2可表示為：sin2t+(1/3)sin32t+(1/5)sin52t+方波1乘以方波2就為1+2波。本試驗(yàn)中方波1(015 mhz)與方波2(015 mhz)經(jīng)過(guò)與門(mén)后就變成03 mhz(015mhz+015

10、mhz)的方波，8所示。由非門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在a5點(diǎn)(015mhz)或a6點(diǎn)(015mhz)經(jīng)由與門(mén)后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率為o3 mhz的方波(即在a7點(diǎn))，仿真結(jié)果9所示。25 選頻電路的設(shè)計(jì)在本試驗(yàn)中運(yùn)用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，10所示。由與門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在a7點(diǎn)(o3 mhz)經(jīng)過(guò)5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為15 mfiz，仿真結(jié)果11所示。26 整體電路的設(shè)計(jì)整體電路12所示。由單片機(jī)輸出的信號(hào)頻率即在a1點(diǎn)或a2點(diǎn)(o03 mhz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號(hào)頻率應(yīng)為輸入信號(hào)頻率的5倍即為a3點(diǎn)或a4點(diǎn)(015 mhz)；經(jīng)由2個(gè)非門(mén)后(即在a5點(diǎn)或a6點(diǎn))輸出的信號(hào)應(yīng)為方波；由非門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在a7點(diǎn)應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門(mén)后輸出的信號(hào)應(yīng)為頻率相加的方波(o3 mhz)；由與門(mén)輸出的信號(hào)頻率即在a7點(diǎn)經(jīng)過(guò)5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為15 mhz(a8點(diǎn))，仿真結(jié)果13所示。3 信號(hào)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中由信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出o03 mhz初始信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊后是否達(dá)到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊檢測(cè)終于信號(hào)是否達(dá)到151_8 mhz的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來(lái)舉行檢測(cè)的，經(jīng)過(guò)查看圖形，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，14所