CN111142434A - 一种超声波换能器控制电路、方法及超声波清洗机 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种超声波换能器控制电路、方法及超声波清洗机，其中，控制电路，包括：控制模块，用于控制匹配输出模块输出的电压频率的PWM信号，并调整PWM信号；放大模块，用于放大PWM信号；驱动模块，用于放大匹配输出模块的功率；电源模块，用于给控制模块、放大模块和匹配输出模块供电；稳压模块，用于给控制模块提供工作电压；匹配输出模块，用于给换能器供电；匹配输出模块包括一变压器T1；变压器T1的初级作为匹配输出模块的供电输入端连接电源模块的供电输出端；电源模块的输出端通过电容C26接地；变压器T1的次级作为匹配输出模块的供电输出端连接换能器的供电输入端。本方案无需使用电感放大匹配输出模块的功率，简化了超声波换能器控制电路。

Description

一种超声波换能器控制电路、方法及超声波清洗机
技术领域
本发明涉及到超声波清洗机领域，特别是涉及到一种超声波换能器控制电路、方法及超声波清洗机。
背景技术
市面上它激式超声波设备的控制模块普遍采用定频(单一频率)，扫频(频率定范围内递增、递减)，或是追频(实时采集换能器频率变化)驱动换能器。定频需对换能器性能要求极高，不易用于家用超声波。在家用超声波设备中，超声波设备包括超声波发生器、换能器和缸体。由于超声功率源与超声换能器之间阻抗不匹配，则换能器获得的能量比较小，能量损耗比较大，容易烧坏线路，因此，需要匹配电路作为功率源和超声换能器之间的桥梁。在现有匹配电路中，匹配电路由于存在电感，超声波设备的控制模块扫频会导致电感发热，换能器效率低，发热且噪音偏大。因此，在传统家用超声波设备中，如何改善超声波设备的控制模块，解决换能器效率低、发热和噪音偏大的问题，显得十分必要。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种超声波换能器控制电路及控制方法，旨在解决改善超声波设备的控制模块，解决换能器效率低、发热和噪音偏大的技术问题。
本发明提出一种超声波换能器控制电路，包括：
控制模块，用于控制匹配输出模块输出的电压频率的PWM信号，并调整PWM信号，使PWM信号以调整后的电压频率相应的占空比，调整匹配输出模块输出的电压频率；
放大模块，用于放大PWM信号；
驱动模块，用于根据放大后的PWM信号，放大匹配输出模块的功率；
电源模块，用于给控制模块、放大模块和匹配输出模块供电；
稳压模块，用于将电源模块提供的电压转换成控制模块的工作电压；
匹配输出模块，用于给换能器供电；
其中，匹配输出模块包括一变压器T1；
变压器T1的初级作为匹配输出模块的供电输入端连接电源模块的供电输出端；
电源模块的一输出端通过电容C26接地；
变压器T1的次级作为匹配输出模块的供电输出端连接换能器的供电输入端。
优选的，电源模块包括供电电池和电源适配器；
供电电池的正极作为电源模块的第一供电输出端连接稳压模块的供电输入端、放大模块的供电输入端以及匹配输出模块的供电输入端；
供电电池的负极通过电容C5接地；
电源适配器作为电源模块的第二供电输出端连接稳压模块的供电输入端、放大模块的供电输入端以及匹配输出模块的供电输入端，其中，电源适配器的供电输出端通过二极管D3连接稳压模块的输入端。
优选的，稳压模块包括稳压管；
稳压管的接入端作为稳压模块的输入端连接电源模块的供电输出端，同时稳压管的接入端通过电容C7接地；
稳压管的接地端接地；
稳压管的输出端作为稳压模块的输出端通过电感L1连接控制模块的供电输入端，同时稳压管的输出端通过电容C1接地；
控制模块包括一单片机；
单片机的正电源引脚作为控制模块的供电输入端连接稳压模块的供电输出端；
单片机的接地引脚接地；
单片机的第一数据输入/输出引脚作为控制模块的信号输出端连接放大模块的信号输入端。
优选的，放大模块包括三极管Q3和三极管Q5；
三极管Q3的基极连接三极管Q5的基极，作为放大模块的信号输入端连接控制模块的信号输出端；
三极管Q5的集电极作为放大模块的供电输入端连接电源模块的供电输出端；
三极管Q5的发射极连接三极管Q5的发射极，作为放大模块的信号输出端通过电阻R12连接驱动模块的信号输入端；
三极管Q3的集电极接地。
优选的，驱动模块包括场效应管Q2；
场效应管Q2的栅极作为驱动模块的信号输入端连接放大模块的信号输出端；
场效应管Q2的源极接地；
场效应管Q2的漏极作为驱动模块的输出端连接匹配输出模块的输入端；
同时，漏极通过电容C16接地。
优选的，变压器T1的初级匝数为10，次级匝数为60。
本发明还提供一种超声波换能器控制方法，包括：
获取换能器的谐振频率；
以谐振频率为基点，在预设范围内选取预设数量的频点；
根据频点，生成换能器的工作频段，并在预设周期内按照工作频段往返切换和输出PWM信号；
根据PWM信号，调整匹配输出模块的电压频率，使其匹配换能器的谐振点。
本发明还提供一种超声波清洗机，包括上述的超声波换能器控制电路。
本发明的有益效果在于：相比于现有技术，本方案无需使用电感放大匹配输出模块的功率，简化了超声波换能器控制电路，节省生产成本、降低超声波清洗机整机重量，减少超声波发生器的散热，从而提高工作效率。
附图说明
图1为本发明一种超声波换能器控制电路的第一结构示意图；
图2为本发明一种超声波换能器控制电路的第二结构示意图；
图3为本发明一种超声波换能器控制方法的流程示意图。
标号说明：
1、控制模块；2、放大模块；3、驱动模块；4、电源模块；5、稳压模块；6、匹配输出模块。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，本发明提供一种超声波换能器控制电路，包括：
控制模块1，用于控制匹配输出模块6输出的电压频率的PWM信号，并调整PWM信号，使PWM信号以调整后的电压频率相应的占空比，调整匹配输出模块6输出的电压频率；
放大模块2，用于放大PWM信号；
驱动模块3，用于根据放大后的PWM信号，放大匹配输出模块6的功率；
电源模块4，用于给控制模块1、放大模块2和匹配输出模块6供电；
稳压模块5，用于将电源模块4提供的电压转换成控制模块1的工作电压；
匹配输出模块6，用于给换能器供电；
其中，匹配输出模块6包括一变压器T1；
变压器T1的初级作为匹配输出模块6的供电输入端连接电源模块4的供电输出端；
电源模块4的一输出端通过电容C26接地；
变压器T1的次级作为匹配输出模块6的供电输出端连接换能器的供电输入端。
在本发明实施例中，电源模块4与稳压模块5、放大模块2和匹配输出模块6电连接，用于给控制模块1、放大模块2和匹配输出模块6供电。稳压模块5和控制模块1电连接，用于将电源模块4提供的电压转换成控制模块1的工作电压。控制模块1输出PWM信号至放大模块2，放大模块2将放大后的PWM信号输出至驱动模块3，驱动模块3放大匹配输出模块6的功率，其中，匹配输出模块6包括一变压器T1，变压器T1的初级作为匹配输出模块6的供电输入端连接电源模块4的供电输出端；电源模块4的输出端通过电容C26接地；变压器T1的次级作为匹配输出模块6的供电输出端连接换能器的供电输入端。在本发明实施例中，驱动模块3根据放大后的PWM信号的占空比，在PWM信号高电平时驱动模块3导通，在低电平时驱动模块3截止，通过驱动模块3高频次的导通与截止，引起变压器T1磁场的变化，从而放大了匹配输出模块6的功率，使得匹配输出模块6的电压频率匹配换能器的谐振点。以变压器T1次级绕组替换匹配电感对换能器进行电抗匹配，从而使得匹配输出模块6调节换能器的电抗和匹配电路的电阻，实现匹配电路的精确匹配。通过上述设置，无需使用电感放大匹配输出模块6的功率，简化了超声波换能器控制电路，节省生产成本、降低超声波清洗机整机重量，减少超声波发生器的散热，从而提高工作效率。此外，采用变压器T1匹配的方式比采用单独电感匹配方式拥有更宽的频带。在本发明其它实施例中，当变压器T1的初级匝数为10，次级匝数为60，匹配输出模块6的匹配效果最佳。
参照图2，电源模块4包括供电电池和电源适配器；
供电电池的正极作为电源模块4的第一供电输出端连接稳压模块5的供电输入端、放大模块2的供电输入端以及匹配输出模块6的供电输入端；
供电电池的负极通过电容C5接地；
电源适配器作为电源模块4的第二供电输出端连接稳压模块5的供电输入端、放大模块2的供电输入端以及匹配输出模块6的供电输入端，其中，电源适配器的供电输出端通过二极管D3连接稳压模块5的输入端。
在本发明实施例中，电源模块4包括供电电池和电源适配器。电源适配器将220V市电转换成12V电压，电源适配器用于给供电电池充电以及给超声波换能器控制电路提供电源。供电电池作为紧急电源，在无外部电源时，给超声波换能器控制电路提供电源。
参照图2，稳压模块5包括稳压管；
稳压管的接入端作为稳压模块5的输入端连接电源模块4的供电输出端，同时稳压管的接入端通过电容C7接地；
稳压管的接地端接地；
稳压管的输出端作为所述稳压模块5的输出端通过电感L1连接控制模块1的供电输入端，同时稳压管的输出端通过电容C1接地；
控制模块1包括一单片机；
单片机的正电源引脚作为控制模块1的供电输入端连接稳压模块5的供电输出端；
单片机的接地引脚接地；
单片机的第一数据输入/输出引脚作为控制模块1的信号输出端连接放大模块2的信号输入端。
在本发明实施例中，稳压管将12V的电压转换成5V电压，用于给控制模块1供电。单片机的型号为SC92F8003。单片机的正电源引脚VDD作为控制模块1的供电输入端连接稳压模块5的供电输出端。单片机的第9号引脚作为控制模块1的信号输出端连接放大模块2的信号输入端，具体的，信号为5V的方波信号。上述设置，结构简单，利于超声波清洗机的大规模生产。
参照图2，放大模块2包括三极管Q3和三极管Q5；
三极管Q3的基极连接三极管Q5的基极，作为放大模块2的信号输入端连接控制模块1的信号输出端；
三极管Q5的集电极作为放大模块2的供电输入端连接电源模块4的供电输出端；
三极管Q5的发射极连接三极管Q5的发射极，作为放大模块2的信号输出端通过电阻R12连接驱动模块3的信号输入端；
三极管Q3的集电极接地。
在本发明实施例中，三极管Q5的集电极作为放大模块2的供电输入端连接电源模块4的供电输出端，即电源模块4给放大模块2提供12V的工作电压。三极管Q3的基极连接三极管Q5的基极，作为放大模块2的信号输入端连接控制模块1的信号输出端，5V的方波信号从控制模块1输出至放大模块2。当输入的PWM信号为高电平时，三极管Q5导通，三极管Q3截止，输出的电流从1mA变成50-100mA；当输入的PWM信号为低电平时，三极管Q5截止，三极管Q3导通，三极管Q3的集电极接地，输出的电流为0mA。通过上述设置，放大PWM信号，使PWM信号的电流从1mA变成50-100mA。
参照图2，驱动模块3包括场效应管Q2；
场效应管Q2的栅极作为驱动模块3的信号输入端连接放大模块2的信号输出端；
场效应管Q2的源极接地；
场效应管Q2的漏极作为驱动模块3的输出端连接匹配输出模块6的输入端；
同时，场效应管Q2的漏极通过电容C16接地。
在本发明实施例中，场效应管Q2为N沟道型。场效应管Q2的工作电压为12V。当放大后的PWM信号(12V的方波信号)输入至驱动模块3，当PWM信号为高电平时，场效应管Q2工作，场效应管Q2的漏极和源极导通，电源模块4的供电输出端经过匹配输出模块6的供电输入端后接地，使得匹配输出模块6的输入电压为0V。当PWM信号为低电平时，场效应管Q2停止工作，场效应管Q2的漏极和源极截止，电源模块4的供电输出端连接匹配输出模块6的供电输入端，使得匹配输出模块6的输入电压为12V。通过上述设置，无需使用电感放大匹配输出模块6的功率，简化了超声波换能器控制电路。
参照图3，本发明提供一种超声波换能器控制方法，包括：
S1：获取换能器的谐振频率；
S2：以谐振频率为基点，在预设范围内选取预设数量的频点；
S3：根据频点，生成换能器的工作频段，并在预设周期内按照工作频段往返切换和输出PWM信号；
S4：根据PWM信号，调整匹配输出模块6的电压频率，使其匹配换能器的谐振点。
在本发明实施例中，超声波清洗机基本由超声波发生器、换能器和清洗槽组成。将换能器的压电陶片与清洗槽的缸体粘接牢固，引出压电陶片的正、负极，将缸内放入清洗液(通常为水)，将引出压电陶片的电机接入阻抗分析仪输入端，从而测试出整个组件(缸体+绝缘片+压电陶片)的谐振频率。超声波发生器获取换能器的谐振频率。超声波发生器以谐振频率为基点，根据测试出来的工作频率以及实验调试数据，在预设范围内选取预设数量的频点。超声波发生器根据频点，生成换能器的工作频段，并按照工作频段往返切换和输出PWM信号。超声波发生器根据PWM信号，调整匹配输出模块6的电压频率，使其匹配换能器的谐振点。举例的，超声波发生器获取换能器的谐振频率，该谐振频率为40KHz。以谐振频率40KHz为基点，生成【39KHz，41KHz】的取值范围，从39KHz起，以0.1KHz为间距，获得共20个频点。根据20个频点，生成换能器的工作频段【39KHz、39.1KHz、39.2KHz、39.3KHz、39.4KHz、39.5KHz、39.6KHz、39.7KHz、39.8KHz、39.8KHz、40KHz、40.1KHz、40.2KHz、40.3KHz、40.4KHz、40.5KHz、40.6KHz、40.7KHz、40.8KHz、40.9KHz、41KHz】。超声波发生器根据换能器按照工作频段往返切换和输出PWM信号，在1秒内，控制模块1输出的PWM信号覆盖所有频点，根据PWM信号，调整匹配输出模块6的电压频率，匹配输出模块6输出的电压频率，至少有一个电压频率能匹配工作状态下换能器的谐振点，使得换能器换能效率最高。因此，由于换能器在工作状态下因发热，谐振点会在小范围内改变(一般不超过1KHz)。通过上述设置，使得换能器在工作状态下，超声波发生器的输出的电压频率仍能匹配换能器的谐振点，提高换能器的换能效率。
进一步地，本发明还提供一种超声波清洗机，包括上述的超声波换能器控制电路。
在本发明实施例中，一种超声波清洗机包括上述的超声波换能器控制电路，以及使用超声波换能器控制的方法，通过软硬件结合的方式，达到无需使用电感放大匹配输出模块6的功率，简化了超声波换能器控制电路，节省生产成本、降低超声波清洗机整机重量，减少超声波发生器的散热，从而提高工作效率的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声波换能器控制电路，其特征在于，包括：
控制模块，用于控制匹配输出模块输出的电压频率的PWM信号，并调整所述PWM信号，使所述PWM信号以调整后的所述电压频率相应的占空比，调整所述匹配输出模块输出的所述电压频率；
放大模块，用于放大所述PWM信号；
驱动模块，用于根据放大后的所述PWM信号，放大所述匹配输出模块的功率；
电源模块，用于给所述控制模块、所述放大模块和所述匹配输出模块供电；
稳压模块，用于将所述电源模块提供的电压转换成所述控制模块的工作电压；
所述匹配输出模块，用于给换能器供电；
其中，所述匹配输出模块包括一变压器T1；
所述变压器T1的初级作为所述匹配输出模块的供电输入端连接所述电源模块的供电输出端；
所述电源模块的一输出端通过电容C26接地；
所述变压器T1的次级作为所述匹配输出模块的供电输出端连接所述换能器的供电输入端。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器控制电路，其特征在于，所述电源模块包括供电电池和电源适配器；
所述供电电池的正极作为电源模块的第一供电输出端连接所述稳压模块的供电输入端、所述放大模块的供电输入端以及所述匹配输出模块的供电输入端；
所述供电电池的负极通过电容C5接地；
所述电源适配器作为电源模块的第二供电输出端连接所述稳压模块的供电输入端、所述放大模块的供电输入端以及所述匹配输出模块的供电输入端，其中，所述电源适配器的供电输出端通过二极管D3连接所述稳压模块的输入端。
3.根据权利要求1或2所述的超声波换能器控制电路，其特征在于，所述稳压模块包括稳压管；
稳压管的接入端作为所述稳压模块的输入端连接所述电源模块的供电输出端，同时所述稳压管的接入端通过电容C7接地；
所述稳压管的接地端接地；
所述稳压管的输出端作为所述稳压模块的输出端通过电感L1连接所述控制模块的供电输入端，同时所述稳压管的输出端通过电容C1接地；
所述控制模块包括一单片机；
所述单片机的正电源引脚作为控制模块的供电输入端连接所述稳压模块的供电输出端；
所述单片机的接地引脚接地；
所述单片机的第一数据输入/输出引脚作为所述控制模块的信号输出端连接所述放大模块的信号输入端。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器控制电路，其特征在于，所述放大模块包括三极管Q3和三极管Q5；
所述三极管Q3的基极连接所述三极管Q5的基极，作为所述放大模块的信号输入端连接所述控制模块的信号输出端；
所述三极管Q5的集电极作为所述放大模块的供电输入端连接所述电源模块的供电输出端；
所述三极管Q5的发射极连接所述三极管Q5的发射极，作为所述放大模块的信号输出端通过电阻R12连接所述驱动模块的信号输入端；
所述三极管Q3的集电极接地。
5.根据权利要求1所述的超声波换能器控制电路，其特征在于，所述驱动模块包括场效应管Q2；
所述场效应管Q2的栅极作为所述驱动模块的信号输入端连接所述放大模块的信号输出端；
所述场效应管Q2的源极接地；
所述场效应管Q2的漏极作为所述驱动模块的输出端连接所述匹配输出模块的输入端；
同时，所述漏极通过电容C16接地。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的超声波换能器控制电路，其特征在于，所述变压器T1的初级匝数为10，次级匝数为60。
7.一种超声波换能器控制方法，其特征在于，包括：
获取所述换能器的谐振频率；
以所述谐振频率为基点，在预设范围内选取预设数量的频点；
根据所述频点，生成所述换能器的工作频段，并在预设周期内按照所述工作频段往返切换和输出所述PWM信号；
根据所述PWM信号，调整所述匹配输出模块的所述电压频率，使其匹配所述换能器的谐振点。
8.一种超声波清洗机，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的超声波换能器控制电路。
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