CN105204407A - 一种通过单片机实现的超声波换能器系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过单片机实现的超声波换能器系统及控制方法，包括片机、通信模块、按键模块、显示模块以及控制模块；所述显示模块与单片机相连；所述控制模块中的单片机分别与外部电压采样信号ADU、电流采样信号ADC以及压力采样信号ADP相连；单片机中、与外部IGBT的驱动电路相连；所述按键模块中单片机中与功能按键相连；所述通信模块中单片机中与上位机进行通信；单片机与智能压力变送器相连。本发明采用单片机dsPIC30F4011进行控制，使得对换能器的控制更加数字化、智能化；采用软件的方法对换能器频率进行追踪，控制更加精确，而且对器件的依赖性降低。

Description

一种通过单片机实现的超声波换能器系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种换能器，特别是涉及一种通过单片机实现的超声波换能器系统及其控制方法。

背景技术

近年来，超声波换能器以其成本较低、环保无污染、人力需求量低、增产效果明显等突出优点，得到了日益广泛的应用。在生产中，超声波换能器能产生高频机械振动，利用高频机械振动的冲击振荡剥离、空化降粘、防蜡清蜡作用。

传统的超声波换能器，是采用适当的电感和压电陶瓷构成LC震荡回路。当换能器与发生器阻抗匹配时，则工作状态最佳。

目前，对换能器频率的追踪一般采用硬件锁相环或者手动调谐。这种控制方法存在以下缺点：一是当换能器工作时，由于环境发生变化，或者器件老化，会导致谐振频率漂移，此时如果不加控制，则造成换能器工作效率低下，损耗严重，传统有采用动态匹配谐振电感的方法，但是这种方法控制较为复杂；二是如果采用硬件锁相环，由于换能器的谐振频率比较高，对硬件、采样电路以及处理器要求比较高，如果反馈回来的信号受到干扰，则可能无法跟踪谐振频率，而且锁相环的跟踪范围由外部的电容和电阻决定的，跟踪范围比较窄，对器件的依赖性比较强，当谐振频率在不同频段时，则需更换电容和电阻。

目前，尚未有将外部IGBT触发信号、外部电压电流以及压力采样以及其他安全参数检测集成一个安全可靠的模块。因此结合单片机dsPIC30F4011，本新型专利开发了一套新型的超声波换能器系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通过单片机实现的超声波换能器系统及控制方法，用于解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通过单片机实现的超声波换能器系统，包括片机、通信模块、按键模块、显示模块以及控制模块；

所述显示模块与单片机相连；

所述控制模块中的单片机分别与外部电压采样信号ADU、电流采样信号ADC以及压力采样信号ADP相连；单片机中、与外部IGBT的驱动电路相连；

所述按键模块中单片机中与功能按键相连；

所述通信模块中单片机中与上位机进行通信；单片机与智能压力变送器相连。

优选地，所述显示模块包括数码管驱动芯片MC14489和数码管LG4042AH。

优选地，所述通信模块由上位机通信和智能式压力变送器通信。

优选地，所述外部IGBT的驱动电路单相全桥驱动电路。

一种通过单片机实现的超声波换能器系统的控制方法，其控制方法为：

首先进行系统设置，设置系统工作的频率，设置PWM的输出模式，死区时间；其次设置PTPER赋值，对电流进行A/D采样，然后让PTPER的值增加1，一直运行到PTPER的值为输出频率的最小值；最后通过查询采样电流的最大值来确定变换器的最佳工作频率；

为了防止在运行过程中，由于环境发生变化或者器件老化导致谐振频率漂移，通过扰动法对最佳的工作频率实时进行追踪，其追踪方法为：

使PTPER值发生变化，判断此时获取的电流采样值与最大的电流采样值的大小；如果此时的电流采样值较大，则把此时的频率设置为最佳频率，否则频率不变。

优选地，为了保证输出频率的稳定性，对扰动法的延迟时间为50-70S。

如上所述，本发明具有以下有益效果：

采用单片机dsPIC30F4011进行控制，使得对换能器的控制更加数字化、智能化；采用软件的方法对换能器频率进行追踪，控制更加精确，而且对器件的依赖性降低；当谐振频率发生变化时，软件会自动跟踪频率的变化，使变换器工作在最佳状态；通过H桥逆变电路的变频及移相调压方式来控制变换器的震荡强度、输出功率和震荡频率，简便而且可靠；充分利用dsPIC30F4011型单片机的模拟输入端口和UART串行通信接口为所需的压力变送器选型留下充足的适配空间。该新型超声波换能器系统具有较强的通用性、成本低、效果好、电路调节简单、工作效率高、工作稳定、生产工艺简单、安全性高的优点。

附图说明

图1为本发明的系统控制结构图；

图2为本发明的H桥的控制结构图；

图3为本发明的电流检测电路；

图4为本发明的软件控制流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种通过单片机实现的超声波换能器系统，包括片机、通信模块、按键模块、显示模块以及控制模块；

所述显示模块包括MC14489和LG4042AH组成。所述芯片MC14489其中a、b、c、d、e、f、g、BANK1、BANK2、BANK3、BANK4与数码管LG4042的相应管脚相连，EN、DATAIN、CLOCK分别与单片机dsPIC30F4011的RB6、RB7、RB8相连。

所述控制模块中单片机中的AN0、AN1、AN2分别与外部电压采样信号ADU、电流采样信号ADC以及压力采样信号ADP相连；单片机中的PWM1H、PWM1L、PWM2H、PWM2L分别与外部IGBT的驱动电路相连。

所述按键模块中单片机中的RD2、RB2、RB3、RB4、RB5、MCLR分别与对应的功能按键相连。

所述通信模块中单片机中的U1TX、U1RX、RD0通过MAX485与上位机进行通信；单片机中的U2TX、U2RX、RD1通过MAX485与智能压力变送器相连。

于本发明的一实施例，所述外部IGBT的驱动电路单相全桥驱动电路。

一种通过单片机实现的超声波换能器系统的控制方法，其控制方法为：

首先进行系统设置，设置系统工作的频率为16MHz，设置PWM的输出为中心对齐的带双更新的连续向上/向下方式下的互补输出模式，而且为了防止上下直通，设置死区时间为1微秒以及设置驱动信号的电平低有效。

由于压电陶瓷超声波换能器都有标称共振频率，但由于元件的离散性，其共振频率不确定，本新型专利通过频率扫描的方法确定谐振频率。

通过按键模块将起始频率设定了标称共振频率，假设为26KHz。然后通过软件在该频率的±2KHz的范围内进行扫描。通过计算可知当PTPER为014DH时输出频率为24KHz；PTPER为011DH时，输出频率为28KHz。当系统运行后，首先给PTPER赋值011DH，每经过8ms的时间，对电流进行A/D采样，然后让PTPER的值增加1，一直运行到PTPER的值为014DH。最后通过查询采样电流的最大值来确定变换器的最佳工作频率。

为了防止在运行过程中，由于环境发生变化或者器件老化导致谐振频率漂移，软件通过扰动法对最佳的工作频率实时进行追踪。首先使PTPER值发生变化，判断此时获取的电流采样值与最大的电流采样值的大小。如果此时的电流采样值较大，则把此时的频率设置为最佳频率，否则频率不变。

为了保证输出频率的稳定性，对扰动法的延迟时间为1min。

本发明如图1所示，其中按键模块的功能分别有加、减、功能、停止、启动、复位等功能。其中加、减键控制H桥的移相角和设定起始频率；功能键用来在移相角、起始频率以及数码管显示的数据变量之间进行切换；启动、停止控制超声波换能器的启停；复位键控制电路的复位。其中通信模块分别与外部的上位机和智能式压力变送器相连，用于数据通信，传输各种指令和参数信号。其中显示模块用来显示当前电压、反馈电流、压力、移相角、工作频率等多种不同的数据。控制模块用来对母线电压、反馈电流、压力进行采样，以及产生H桥的触发信号。另外，通信模块U1TX、U1RX以及RD0和控制模块中的ADP为预留端口，分别适用于智能式压力变送器和普通压力变送器，可根据现场所用的压力变送器选用不同的端口，也为变送器选型留下充足的适配空间。

图2为本发明的H桥控制图，通过调节移相角的大小来控制输出电压，进而调节变换器的输出功率即震动强度；通过调节输出PWM信号的周期，进而改变输出的频率。

图3为本发明的电流检测电路，通过检测直流母线上的电流，确定变换器工作的最佳频率，并在发生过流故障时封锁PWM输出，保护器件的安全。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种通过单片机实现的超声波换能器系统，其特征在于：包括片机、通信模块、按键模块、显示模块以及控制模块；

所述显示模块与单片机相连；

所述控制模块中的单片机分别与外部电压采样信号ADU、电流采样信号ADC以及压力采样信号ADP相连；单片机中、与外部IGBT的驱动电路相连；

所述按键模块中单片机中与功能按键相连；

所述通信模块中单片机中与上位机进行通信；单片机与智能压力变送器相连。

2.根据权利要求1所述的一种通过单片机实现的超声波换能器系统，其特征在于：所述显示模块包括数码管驱动芯片MC14489和数码管LG4042AH。

3.根据权利要求1所述的一种通过单片机实现的超声波换能器系统，其特征在于：所述通信模块由上位机通信和智能式压力变送器通信。

4.根据权利要求1所述的一种通过单片机实现的超声波换能器系统，其特征在于：所述外部IGBT的驱动电路单相全桥驱动电路。

5.一种通过单片机实现的超声波换能器系统的控制方法，其特征在于：控制方法为：

首先进行系统设置，设置系统工作的频率，设置PWM的输出模式，死区时间；其次设置PTPER赋值，对电流进行A/D采样，然后让PTPER的值增加1，一直运行到PTPER的值为输出频率的最小值；最后通过查询采样电流的最大值来确定变换器的最佳工作频率。

6.根据权利要求5所述的一种通过单片机实现的超声波换能器系统的控制方法，其特征在于：实时追踪方法为：

使PTPER值发生变化，判断此时获取的电流采样值与最大的电流采样值的大小；如果此时的电流采样值较大，则把此时的频率设置为最佳频率，否则频率不变。

7.根据权利要求6所述的一种通过单片机实现的超声波换能器系统的控制方法，其特征在于：扰动法的延迟时间为50-70S。