段晨杰 齊愛學

摘 ?要：設計制作了一款智能、低排、低耗的清洗機，由于本系統(tǒng)使用STM32控制產(chǎn)生特定頻率超聲波，這種超聲波空化所產(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物使他們分化于溶液中，從而完成清洗任務[1]。用超聲波空化能量代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，因此實現(xiàn)光能供電成為可能，可以在電網(wǎng)供電困難的環(huán)境使用[2];通過STM32對ADS1115高精度AD模塊獲得的數(shù)據(jù)實時計算剩余電量智能化管理太陽能供電系統(tǒng)，為太陽能電源管理[3];通過藍牙通信模塊與STM32串口連通拓展了清洗系統(tǒng)使用的可控性。

關鍵詞：可控超聲波;光能供電清洗;AD電量計算

中圖分類號：TP11 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0043-03

Abstract： An intelligent， low-row， low-consumption cleaning machine is designed. Because the system uses STM32 to control the production of specific frequency ultrasound， the huge pressure generated by ultrasonic cavitation can destroy insoluble dirt and divide them into solutions. In order to complete the cleaning task. Replacing the traditional motor with ultrasonic cavitation energy has the advantages of high conversion rate and low energy consumption， so it is possible to realize light energy power supply. It can be used in the environment where power supply is difficult， and the solar power supply system can be intelligently managed by real-time calculation of the data obtained by ADS1115 high-precision AD module through STM32， for solar power management; Bluetooth communication module and STM32 serial communication are adopted to expand the controllability of the use of the cleaning system.

Keywords： controllable ultrasonic wave; light energy power supply cleaning; AD electric quantity calculation

目前市場上的清洗機絕大多數(shù)用的是大功率電機，清洗效率一般，用電成本較高，因此實現(xiàn)脫離電網(wǎng)供電較為困難。隨著技術的進步應用日益擴大，目前超聲波已廣泛地用于工業(yè)清洗，本設計的超聲波清洗機主要應用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機械振動，在液體中產(chǎn)生超聲波振動進行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個清洗介質(zhì)振動并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗潔凈度非常高。這種新一代時尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務勞動中解脫出來。本設計由于采用新型清潔方式，提高清洗工作的效率，省水節(jié)電，這讓太陽能實現(xiàn)清洗機的供電成為可能。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)流程如圖1所示，用超聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)大功率電機，通過STM32控制驅(qū)動器輸出特定頻率類型的超聲波，使槽內(nèi)液體中的氣泡在聲波的作用下迅速膨脹，然后忽然閉合，在氣泡閉合爆裂的瞬間周圍產(chǎn)生較強的壓力，這種超聲波空化所產(chǎn)生的壓力能破壞不溶性污物使他們分化于溶液中，從而完成清洗任務。在這個過程水代替了清洗劑，免去用水去除清洗劑的過程，大大降低對環(huán)境的污染與水的使用量。超聲波功耗僅為100w，因此完全可用太陽能供電，并用數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1115對清洗機的蓄電池進行電量檢測，單片機計算出的剩余電量智能化管理電源，保護了太陽能供電系統(tǒng);清洗機由我們設計的Android App進行控制，采用App遙控節(jié)省了對遙控器的開發(fā)成本以及生產(chǎn)對環(huán)境的污染，該App能自動檢測與清洗機連接出現(xiàn)的問題，通過App，可以實現(xiàn)控制清洗機開關機，定時功能等功能。為防止App控制清洗機出現(xiàn)失效問題，在清洗機面板上添加基于單片機的定時電路，使得該作品更加人性化與便捷。

2 系統(tǒng)的電路設計

2.1 系統(tǒng)供電模塊電路設計

供電流程如圖2所示，采用單晶太陽能發(fā)電板將獲得的直流電儲存到鉛蓄電池中，在鉛蓄電池與發(fā)電板之間加入二極管，構(gòu)成單向?qū)щ姌?，防止夜間太陽能板電流逆流損耗，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADS1115）獲取分壓電路電壓參數(shù)計算得蓄電池電壓數(shù)據(jù)，該檢裝置具有功耗低、體積小、可靠穩(wěn)定以及功能擴展性好等特點[4]，該數(shù)據(jù)通過I2C傳輸?shù)絊TM32控制器上根據(jù)電壓與電量關系公式分析計算出結(jié)果并通過串口將剩余電量呈現(xiàn)在電量顯示屏上，根據(jù)所得的剩余電量智能化管理電源：在電量過低達到5%以下時系統(tǒng)自動關機，當充電電量達到60%以上時系統(tǒng)自動開機，由此形成窗口電源開關，防止電池在低電量狀態(tài)下重復損耗。超載時電量檢測到異狀令系統(tǒng)關閉以保護太陽能供電系統(tǒng)，延長蓄電池的使用壽命。

2.2 系統(tǒng)超聲波發(fā)生模塊設計

2.2.1 超聲波發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)設計

超聲波清洗系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設計如圖3所示，主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成。超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。

2.2.2 超聲波發(fā)生模塊參數(shù)設定

為了實現(xiàn)超聲波清洗的高效率，應當選擇最佳的聲強、頻率及清洗槽聲場分布等參數(shù)。工作頻率選在20-50kHz之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少，易于清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小、數(shù)量多，易于清洗精細且形狀復雜的物品[5]。本超聲波清洗機用于清洗較粗糙的生活用品，所以采用低頻25kHz。清洗液采用碳氫清洗液[6]，碳氫清洗液具有以下特點：清洗性能好，蒸發(fā)損失小，無毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價格便宜。

2.2.3 超聲波發(fā)生模塊的實現(xiàn)

超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類，本設計采用數(shù)字電路方案。

首先利用STM32產(chǎn)生正弦號[7]：

STM32DAC初始化代碼如下所示：

/*DAC1通道2初始化*/

RCC->APB1ENR|=1<<29; ? //使能DAC時鐘

RCC->AHB1ENR|=1<<0; ? //使能PORTA時鐘

GPIO_Set（GPIOA，PIN5，GPIO_MODE_AIN，0，0，GPI

O_PUPD_PU）;//PA5，模擬輸入，下拉

DAC->CR|=1<<18; //使能觸發(fā)功能 TEN1=1

DAC->CR|=1<<17; //DAC1輸出緩存不使能

//BOFF1=1

DAC->CR|=5<<19; //DAC TIM4 TRGO，不過要

//TEN1=1才行

DAC->CR|=0<<22; //禁止生成波形

DAC->CR|=1<<28; //DAC1 通道2 DMA使能

DAC->CR|=1<<16; //使能DAC1 通道2

DAC->DHR12R2=0;

STM32DAC并不支持自動生成正弦波，所以我們采用讀表法來生成，事先計算正弦波一個周期500個點對應的DAC的值，將它存在一個數(shù)組中，還有一個步驟就是將數(shù)值讀入暫存數(shù)組：

u32 Idx;

/*讀入正弦波數(shù)據(jù)*/

for （Idx = 0; Idx < 500; Idx++）

{

DualSine12bit[Idx] = （Sine12bit2[Idx] << 16） + （Sine12bit2[Idx]）;

}

然后每次時鐘更新時使用DAC輸出電壓，當然我們?yōu)榱颂岣咚俾什⑶医夥臗PU使正弦波生成獨立運行。我們可以采用DMA的方式，DMA寄存器映射表如表1所示。

根據(jù)映射圖可知，與DAC1相連的DMA為DMA1通道7數(shù)據(jù)流5，并對寄存器進行初始化配置。

接下來再配置定時器，筆者上面DAC中選擇了TIM4的TRGO時間觸發(fā)，所以我們要配置TIM4，最后使能DMA傳輸，所有的配置就完成了。

通過以上的配置PA5就能生成正弦波了，通過改變TIM4 的預分頻系數(shù)和預加載值就可以改變正弦波的頻率。

STM32 IO口由于驅(qū)動能力有限，因此輸出的需要經(jīng)過低壓放大電路。低壓放大電路如圖4所示，為了避免兩只功放管同時導通，導致內(nèi)部功耗增加，兩管的導通時間必須錯開[8]，使它們在交替工作時有一段同時截止的時間。為此，三極管P1和P2對振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動電路所用的電源是直流12V。

接下來是對超聲波電信號的高頻放大，超聲發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(nèi)容——調(diào)諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達到了匹配，換能器才能正常工作。高頻驅(qū)動和匹配電路如圖5所示。

超聲波清洗機中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡單（通常只有一個匹配電感），卻具有重要作用。相同型號的清洗機，匹配調(diào)得好的清洗效果好;匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對同一臺機器而言，如果工作一段時間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過更換，都需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設備的匹配有所不同，超聲清洗機的匹配除了要解決變阻問題（即變換負載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負載值相等）外，還要解決調(diào)諧問題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。

2.3 系統(tǒng)無線傳輸設計

無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，是通過串口藍牙模塊為STM32拓展了無線功能，在后期清洗機通過藍牙，可以連接到手機實現(xiàn)清洗機的固件升級，為清洗機的功能升級提供了硬件基礎保障;該App能夠自動檢測與清洗機出現(xiàn)的異常，告知用戶該如何處理，實現(xiàn)傻瓜式操作;通過App也可以實現(xiàn)對清洗機的遙控功能，如控制清洗機開關機，定時功能等[9-10]，開發(fā)的App界面圖如圖6所示。

3 結(jié)論

由于耗水量相比于其他傳統(tǒng)清洗設備要少很多，而且清洗劑的使用量也大大減少，可以將其應用在缺水的環(huán)境。從清洗衣物的角度上說，該清洗設備通過換能器將超聲波發(fā)生器中的高頻振蕩信號轉(zhuǎn)化為高頻機械振動，不但能夠?qū)⒁挛锴逑吹母痈蓛?，另外紫外線也能對衣物進行殺菌消毒，最重要的是所需的清洗劑也會大大減少，既符合國家對于綠色環(huán)保的要求，也迎合消費者對物美價廉的期望。綜上所說，如果將其推廣，應該會有比較大的收益。

參考文獻：

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