農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計

1、農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計自19世紀末到20世紀初，在物理學(xué)上發(fā)覺了壓電效應(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，從今快速揭開了進展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的進展與工農(nóng)業(yè)的進展相伴相生，應(yīng)用非常廣泛，本設(shè)計的超聲波發(fā)生器是利用生成初始信號，然后經(jīng)過一系列處理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(nóng)業(yè)上加以采納。在此對3個模塊舉行設(shè)計：(1)信號發(fā)生模塊。12 mhz的80硬件銜接及其程序設(shè)計。(2)信號處理模塊。驅(qū)動電路設(shè)計(cd4069非門集成芯片)；倍頻電路設(shè)計(s9014或ecgl08、104一般、11 2579 nh自制、1 k)；整波電路

2、設(shè)計(cd4069非門集成芯片)；和頻電路設(shè)計(cd4081與門集成芯片)；選頻電路設(shè)計(s9014或ecgl08三極管、104一般電容、11258 nh自制電感、1 k電阻)。(3)信號檢測模塊、數(shù)字的銜接。在上述討論基礎(chǔ)上，設(shè)計一臺超聲波發(fā)生器樣機，其技術(shù)指標如下：輸入：220 vac(50 hz)；開關(guān)頻率：1518 mhz；最大的輸出功率：500 w；功率范圍：50500 w。1 信號發(fā)生模塊的設(shè)計選取一個8051單片機芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路銜接到單片機相應(yīng)的引腳上組成單片機的最小系統(tǒng)。利用單片機的中斷資源和io口資源舉行相應(yīng)銜接并舉行程序編輯：用p32口控制初始信號的放

3、射與否，用p0o口、p01口放射初始信號，1所示。2 信號處理模塊的設(shè)計21 驅(qū)動電路的設(shè)計假如將兩列波(003 mhz)挺直從單片機的輸出口poo和p01輸出接入后面的5倍頻電路，可能會因為小而不能驅(qū)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(qū)動電路，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(lián)的電路，因為非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅(qū)動電路的功能(若用方波發(fā)生器來代替單片機就可省略驅(qū)動電路)。22 倍頻電路的設(shè)計按照電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)學(xué)問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，由

4、電路的特性可知：并聯(lián)諧振具有下列特征：(1)諧振時電路的阻抗摸為|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將在諧振時達到最小值，即i=io=u(lrc)=u|zo|。(2)因為電源電壓與電路中電流同相(=0)，因此電路對電源展現(xiàn)電阻性。諧振時電路的阻抗摸|zo|相當(dāng)于一個電阻。(3)諧振時各并聯(lián)支路的電流為：il=u2fol；ic=u(12foc)，可見il=icio，品質(zhì)因數(shù)q=ilio。(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時，電路阻抗摸最大，電流通過時在電路兩端產(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。通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個工作區(qū)：(1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，ic=ib。放大區(qū)也稱為線性區(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，放射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對npn型管來說，應(yīng)使ubeo，ubco。(2)截止區(qū)。ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。ib=0時，ic=iceo。對npn型硅管而言，當(dāng)ubeo5 v時，即已經(jīng)開頭截止，但是為了截止牢靠，常使ubeo。截止時集店結(jié)也處于反向偏置。(3)飽和區(qū)。當(dāng)uceube時，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，放射結(jié)也處于正向偏置。本試驗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，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時，在擾動信號中惟獨頻率為f0的重量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時，lc并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負載電阻rc)。因此，對f0這個頻率來說，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿足自激振蕩的條件時，就產(chǎn)生自激振蕩。對于其他頻率的重量，不能

7、產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號。當(dāng)轉(zhuǎn)變lc電路的參數(shù)l或c時，輸出信號的振蕩頻率也就轉(zhuǎn)變，于是就可以舉行倍頻，本試驗用的是五倍頻，4所示。在試驗中已知頻率和電容參數(shù)計算電感參數(shù)，由已知條件可得：ll=l2=112579 nh；l3=11258 nh。由單片機輸出的信號頻率即在a1點或a2點(003 mhz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號頻率應(yīng)為輸入信號頻率的5倍即為a3點或a4點(o15 mhz)，結(jié)果5所示。23 整波電路的設(shè)計在本試驗中運用的是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

8、開啟電壓經(jīng)過這樣的處理就可將輸入波整合成方波，6所示。由5倍頻輸出的信號頻率即在a3點或a4點(015 mhz)經(jīng)由兩個非門后(即在a5點或a6點)輸出的信號應(yīng)為方波，仿真結(jié)果7所示。24 和頻電路的設(shè)計在本試驗中運用的是cd4081集成與門電路，與門主要是將輸入的兩列方波信號互相作用后再輸出，而后進入后面的5倍頻電路舉行進一步的處理。在本試驗中與門起到了乘法器的作用，并且可以削減雜波的干擾，使試驗效果越發(fā)良好。其中與門實現(xiàn)和頻的原理是試驗中的關(guān)鍵，下面就對此做出研究：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為標準頻率，f1為待測頻率，設(shè)f

9、1f0且1f1f02(同理可證實f0f1且1f0fl2的狀況)，max=maxf0。將兩方波b(t)和x(t)加到與門的輸入端(相乘)，則產(chǎn)生b(t)·x(t)的輸出。兩個方波按偶函數(shù)綻開為：按照傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為2l周期函數(shù)f(x)滿足收斂定理條件，則它的傅里葉級數(shù)綻開式為：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。本試驗中方波1(015 mhz)與方波2(015 mhz)經(jīng)過與門后就變成03 mhz(015mhz+015

10、mhz)的方波，8所示。由非門輸出的信號頻率即在a5點(015mhz)或a6點(015mhz)經(jīng)由與門后輸出的信號應(yīng)為頻率為o3 mhz的方波(即在a7點)，仿真結(jié)果9所示。25 選頻電路的設(shè)計在本試驗中運用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，10所示。由與門輸出的信號頻率即在a7點(o3 mhz)經(jīng)過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)計整體電路12所示。由單片機輸出的信號頻率即在a1點或a2點(o03 mhz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號頻率應(yīng)為輸入信號頻率的5倍即為a3點或a4點(015 mhz)；經(jīng)由2個非門后(即在a5點或a6點)輸出的信號應(yīng)為方波；由非門輸出的信號頻率即在a7點應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門后輸出的信號應(yīng)為頻率相加的方波(o3 mhz)；由與門輸出的信號頻率即在a7點經(jīng)過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為15 mhz(a8點)，仿真結(jié)果13所示。3 信號檢測模塊的設(shè)計在本設(shè)計中由信號發(fā)生模塊發(fā)出o03 mhz初始信號后，經(jīng)過信號處理模塊后是否達到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過檢測模塊檢測終于信號是否達到151_8 mhz的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來舉行檢測的，經(jīng)過查看圖形，設(shè)計達到預(yù)期要求，14所