CN112407964B - 一种基于驻波悬浮的无接触传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，用以解决现有超声波近场悬浮技术操控物体移动的范围有限，不能对微小物体进行精确操控的问题。本发明包括箱体，所述箱体上固定有换能器阵列，箱体内设有微控制器、驱动器、电池和按键单元，换能器阵列与驱动器相连接，驱动器、电池和按键单元均与微控制器相连接。本发明的设备集成度相对较高，最大化的对空间进行了利用，结构紧凑，空间利用率大，功耗低，移动精度高，可以实现悬浮物体的远程控制，便携了操作过程，稳定性好，悬浮有普遍性，不规则颗粒、液滴都能悬浮和控制。

Description

一种基于驻波悬浮的无接触传输系统

技术领域

本发明涉及超声波悬浮的技术领域，尤其涉及一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，主要应用于医疗、化学分析和空间技术上。

背景技术

随着科学技术的不断进步和发展，人们开始追求对物质在微尺度范围的更精确操作。由于尺度微小，直接通过机械外力的方式往往难以实现。该问题已经逐渐成为制约行业发展和技术领域进步的一大障碍。超声波悬浮作为一种新发展起来的技术，可以模拟空间无容器状态，通过非接触的方式直接操控物体的移动，悬浮比较稳定且更容易控制。

目前，人们普遍采用的是超声波近场悬浮技术来实现物体的空间定位，利用了声辐射表面悬浮力急剧增大的特点，将物体悬浮在声辐射表面非常微小的距离上，所以操控物体移动的范围有限。而且其主要研究方向在于提高悬浮承载能力，对于微小物体的精确操控的效果并不突出。

发明内容

针对现有超声波近场悬浮技术操控物体移动的范围有限，不能对微小物体进行精确操控的技术问题，本发明提出一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，包括箱体，所述箱体上固定有换能器阵列，箱体内设有微控制器、驱动器、电池和按键单元，换能器阵列与驱动器相连接，驱动器、电池和按键单元均与微控制器相连接。

所述换能器阵列包括两个垂直设置的换能器组，换能器组与一个驱动器相连接，每个换能器组包括两个相对且同轴设置的超声波换能器，超声波换能器通过外壳固定在箱体上。

所述超声波换能器为直径16mm、中心频率40KHz、带宽1.2KHz、峰峰值80V的超声波换能器；所述换能器组的两个超声波换能器之间的距离为21.25mm。

所述微控制器与蓝牙模块相连接，蓝牙模块与移动终端相连接，蓝牙模块设置箱体内。

所述电池与稳压模块相连接，稳压模块设置在箱体内；所述稳压模块分别与微控制器、驱动器和蓝牙模块相连接；所述电池为11.1V航模电池；所述稳压模块采用型号为LM2596的降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，开关电压调节器包括BUCK降压电路，且稳压模块可以输出3.3V、5V、12V的电压。

所述按键单元包括4个按键，按键分别与微控制器的四个输入端口相连接。

所述微控制器为型号为STM32的核心板，核心板内设有四个定时器，用来分别产生八组互补的PWM波形；所述驱动器的型号为TB6612FNG，驱动器包括两个H桥电路，每个H桥电路与超声波换能器相连接；蓝牙模块采用型号为CC2541的低功耗蓝牙，蓝牙模块通过串口与微控制器相连接。

其工作原理为：所述微控制器利用四个定时器分别产生八组互补的PWM波，驱动器通过H桥电路放大后输出两个通道的方波，方波加载在两个相对的超声波换能器上，两个相对的超声波换能器产生振幅和频率相同，但传播方向相反的两组超声波，两组超声波相遇后叠加形成驻波，驻波的波节和波腹的位置始终不变用来稳定悬浮物体；微控制器通过调节PWM波的频率和占空比改变PWM波的相位，从而改变超声波换能器产生的超声波的相位，调节换能器阵列产生的超声波阵列，改变波节位置，悬浮物体会随着波节的移动而移动。

所述微控制器的程序先初始化按键、串口、定时器，然后进入死循环判断，先判断按键是否按下，如果对应的按键按下则将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；再判断串口是否接收到数据，如果接收到蓝牙模块发出的有效的信息，则在串口中断中解析出关键信息，在循环中依据解析的关键信息将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；在程序运行的过程中，定时器会不断的进入更新中断，在更新中断中不断的检测四个移动标志位哪个是否置1，如果检测到某个移动标志位置1，那么将改变对应定时器的频率和占空比，然后所有移动标志位置0，退出中断。

根据权利要求9所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，在定时器更新中断中微控制器改变对应定时器的频率和占空比，从而实现互补PWM波形相位的移动，互补PWM波形经过驱动器变成峰值Vp-p = 24V的方波，PWM波形相位的移动使得方波波形相位对应的移动，最终的效果是超声换能器产生的驻波声场相位的移动，从而使物体在声场中稳定的移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

结构紧凑：设备集成度相对较高，信号发生和放大电路以及蓝牙模块都被集成在一块板子上位于驱动器电路上方，箱体的设计也最大化的对空间进行了利用。

空间利用率大：相对于近场悬浮来说，驻波悬浮的可移动范围近乎无限，它唯一的限制就是换能器发射头的大小，只要换能器足够大移动距离就可足够大。

功耗低：处于待机即发射头不工作时，功耗为0.36W，工作时的功耗为0.72W，功耗相对较低。

移动精度高：按键控制和蓝牙模块相接结合，蓝牙模块可以实现悬浮物体的远程控制，便携了操作过程。

装置稳定性好：微小物体悬浮在空中的稳定度较高，且加装了外壳方便固定和更换超声波换能器的发射头。

悬浮有普遍性：不规则颗粒，液滴，都能悬浮和控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理图。

图3为本发明的电路原理图。

图4为本发明的工作流程图。

图中，1为箱体，2为外壳I，201为外壳II，202为外壳III，203为外壳IV，3为超声波换能器I，301为超声波换能器II，302为超声波换能器III，303为超声波换能器IV，4为微控制器，5为驱动器，6为电池，7为蓝牙模块，8为稳压模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，包括箱体1，用的是聚丙交酯材料3D打印一体成型，是一种新型的生物降解材料，热稳定性好且有较好的隔音效果，能保证谐振腔内超声波有效利用，降低外界干扰。所述箱体1上固定有换能器阵列，箱体1内设有微控制器4、驱动器5、电池6和按键单元，换能器阵列与驱动器5相连接，驱动器5、电池6和按键单元均与微控制器4相连接，如图2所示。电池6给驱动器5的逻辑端供电，电池6同时通过稳压模块8给驱动器5、蓝牙模块7、微控制器4供电。微控制器4通过模块内的主控产生PWM波，通过驱动器5产生±12V的方波，再通过换能器阵列产生超声波阵列，通过调节超声波阵列的PWM波的频率和占空比改变PWM波的相位，从而改变超声波的相位，调节超声波阵列，改变波节位置，实现悬浮物体的移动。驱动器5用来放大微控制器4提供的小电流，来驱动超声波阵列，微处理器5控制超声波阵列产生驻波、改变驻波相位和改变输出功率，实现物体的悬浮和移动。

所述换能器阵列包括两个垂直设置的换能器组，换能器组与一个驱动器5相连接，每个换能器组包括两个相对且同轴设置的超声波换能器，超声波换能器通过外壳固定在箱体1上。超声波换能器需要精确的距离（5个半波长距离21.25mm），用外壳来固定可以防止超声波换能器位置被改变，同时更换超声波换能器的发射头也更加方便。如图1所示，换能器阵列包括超声波换能器I3、超声波换能器II301、超声波换能器III302和超声波换能器IV303，超声波换能器I3和超声波换能器III302组成水平放入换能器组，超声波换能器II301和超声波换能器IV303组成竖直的换能器组，且超声波换能器I3安装在外壳I2上，超声波换能器II301安装在外壳II201上，超声波换能器II302安装在外壳III202上，超声波换能器IV303安装在外壳IV203，外壳I2、外壳II201、外壳III202和外壳IV203固定在箱体1上，外壳I2和外壳III202同轴，外壳II201和外壳IV203同轴，从而使两个换能器组同轴，可以产生两束互相垂直的驻波，利用两组垂直的声源，波谷会排列成像棋盘一样均匀等距的行或列，再利用相位调制实现物体在波谷之间的移动。

换能器阵列采用16mm为直径的换能器组成的阵列。超声波换能器的型号为AT40-10P，工作原理是利用压电效应进行工作，内部的压电陶瓷以大于2万次每秒的频率高速振动产生超声波。本发明选取的超声波换能器主要参数是直径16mm，中心频率40KHz，带宽为1.2KHz，峰峰值80V。超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，产生直径为10mm，中心频率为40Khz，带宽为1.2Khz，峰峰值为80V的超声波。所述换能器组的两个超声波换能器之间的距离为21.25mm。驱动器5输出的方波直接加载在超声波换能器的发射头上，当两个超声波换能器对射时可以产生驻波用来稳定悬浮的物体。

所述微控制器4与蓝牙模块7相连接，蓝牙模块与移动终端相连接，蓝牙模块7设置箱体1内。蓝牙模块7采用型号为CC2541的低功耗蓝牙，高性能、低功耗，同时兼容2.4GHz 蓝牙低功耗的RF收发器，拥有2个支持多种串行通信协议的USART，小尺寸QLP-40封装。蓝牙模块7通过串口与微控制器4相连接。移动终端可以是手机端，蓝牙模块7可以用手机端远程控制换能器阵列，远程控制提高操作的便携性，实现了远距离精度更高的操作。蓝牙模块7通过串口和微控制器4进行传递信息，当其他设备给蓝牙模块7发送信息，蓝牙模块7可以将蓝牙协议转换成串口协议，再把信息发送给主控。微控制器4收到来自蓝牙模块7的信息后作出相应的行动。自定了简单的通信协议既方便理解也方便调用，使装置使用起来更方便快捷，$表示指令的开始，#表示指令的结束，在两个符号之间加入信息，例如$u10#，代表物体向上移动10mm。

所述电池6与稳压模块8相连接，稳压模块8设置在箱体1内；所述稳压模块8分别与微控制器4、驱动器5和蓝牙模块7相连接。电池6为11.1V航模电池，续航持久，电压平衡，有效保证了设备的正常运行；所述稳压模块8采用型号为LM2596的降压芯片即降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。开关电压调节器包括BUCK降压电路，且稳压模块8可以固定输出3.3V、5V、12V的电压，可调版本可以输出小于37V的各种电压，只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，LM2596降压芯片内部包含150KHZ振荡器、1.23v基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器和内部稳压电路，可以整流滤波，减小信号，限制电流，稳定输出电压。将输入的12V电源降成5V供微控制器4、蓝牙模块7和驱动器5来使用。BUCK降压电路由电阻、电容和电感组成，LM2596降压芯片还加入500mA自恢复二极管以及防浪涌的TVS管，具有过流保护、过热保护、短路保护等保护功能，可以保护后面的微控制器、蓝牙模块和驱动器电路，防止损坏核心器件STM32F103c8t6。LM2596降压芯片转换效率高、输出电流大、发热量小和输出纹波小，可以确保整个设备在低功耗的前提下提高可靠性。

所述按键单元包括4个按键，按键分别与微控制器4的四个输入端口相连接。按键采用型号TSW SMD-6*6*5的按键，用了四个轻触按键，分别表示向上、向下、向左和向右，通过按键控制超声波产生的波形实现悬浮物体的左右上下移动。当有按键按下时，微控制器4检测哪个按键按下，做出对应的决策。如果向上的按键按下，那么微控制器4调节输出互补的PWM波形，来间接调节驱动器5输出的方波波形。

所述微控制器4型号为STM32F103c8t6的核心板，微控制器4是基于ARM Cortex-M3系列为内核的微控制器STM32，高性能、低成本、低功耗，可以用来设计一些高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，内部丰富的资源可以供用户使用。核心板内设有四个定时器，用来分别产生八组互补的PWM波形，内部所有端口都可以作为IO口来使用，同时还有多个串口供用户来和外界设备交流。利用微控制器内部定时器可以产生精确的PWM波。

所述驱动器5的型号为TB6612FNG驱动芯片，驱动器5集成两路H桥驱动，每个H桥电路与超声波换能器相连接；每个H桥电路用来分别驱动两个通道，每通道输出最高1A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A／3A(连续脉冲／单脉冲)；4种控制模式；PWM支持频率高达100kHz；支持待机状态；片内集成低压检测电路与热停机保护电路（工作电压变低时会使某些执行程序发生混乱，及有些电路在低电压下也不能正常工作，所以要对电路做低压检测；热停机保护则是温度过高电路的自动断电保护）；工作温度：-20～85℃；SSOP24小型贴片封装（贴片元件体积小、容易焊接且焊点缺陷率低，可以增大板子的集成度）。因为驱动换能器阵列需要很大的电流，微控制器4不足以提供大电流，所以需要一个驱动器，用来驱动换能器阵列。TB6612FNG驱动芯片的优点是集成度高，体积小，功率大，每个通道可提供最大1A的电流，并且稳定可靠。经驱动器放大后通过超声波换能器输出方波信号，两个相对的超声波换能器产生振幅、频率相同，但传播方向相反的两组超声波，超声波相遇后叠加形成驻波，在驻波的波形上，波节和波腹的位置始终不变。

如图3所示，STM32F103c8t6主控，用来产生8路精确的PWM信号、扫描按键信号、接收串口信息等等。TB6612FNG 用来输出精确的方波信号供给换能器阵列使用。换能器阵列，用来产生超声波形成驻波，进行对声场的调制实现物体的悬浮。CC2541蓝牙，用来接收移动端的信息，执行相应的动作。独立按键，用来和主控交流，每个按键对应特定的功能。3S锂电池电源，用来给整个系统供电。LM2596降压芯片，用来将输入电压降低后给主控和其他模块使用。蓝牙模块7连接微控制器4的串口3引脚PB10、PB11，用来发送和接收移动端的信息。独立按键分别连接主控的四个普通IO口，用键盘扫描方式来读取每一个按键值。驱动器5集成两路驱动分别连接主控的两个定时器输出端口，PA0、PA1、PA2为一组定时器输出端口，PA6、PA7、B0是另一组定时器输出端口。同理驱动器也方便连接主控的两个定时器输出端口。驱动器的输出端口直接连接超声波换能器，输出Vp-p = 24V的方波直接驱动超声波换能器产生超声波形成驻波。这样兼顾简单实用的方式，还最大化利用了这款主控的所有定时器和引脚；同时还可以输出精确的PWM波形，从而保证悬浮的稳定性。

本发明的工作原理为：所述微控制器4利用四个定时器分别产生八组互补的PWM波，驱动器5通过H桥电路放大后输出两个通道的方波，方波加载在两个相对的超声波换能器上，两个相对的超声波换能器产生振幅和频率相同，但传播方向相反的两组超声波，两组超声波相遇后叠加形成驻波，驻波的波节和波腹的位置始终不变用来稳定悬浮物体；微控制器4通过调节PWM波的频率和占空比改变PWM波的相位，从而改变超声波换能器产生的超声波的相位，调节换能器阵列产生的超声波阵列，改变波节位置，悬浮物体会随着波节的移动而移动，从而达到操控悬浮物体的目的。

如图4所示，所述微控制器4的程序先初始化按键、串口、定时器，然后进入死循环判断，先判断按键是否按下，如果对应的按键按下则将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；再判断串口是否接收到数据，如果接收到蓝牙模块7发出的有效的信息，则在串口中断中解析出关键信息，在循环中依据解析的关键信息将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；在程序运行的过程中，定时器会不断的进入更新中断，在更新中断中不断的检测四个移动标志位哪个是否置1，如果检测到某个移动标志位置1，那么将改变对应定时器的频率和占空比，然后所有移动标志位置0，退出中断。

就是根据按键和串口来将相应的移动标志位置1，然后在定时器更新中断中微控制器4改变对应定时器的频率和占空比，从而实现互补PWM波形相位的移动，互补PWM波形经过驱动器5变成峰值Vp-p= 24V的方波，PWM波形相位的移动使得方波波形相位对应的移动，最终的效果是超声换能器产生的驻波声场相位的移动，从而使物体在声场中稳定的移动。

若想形成稳定的悬浮效果，两个阵列之间的距离H也非常关键。理论上当阵列之间的距离H设置为半波长的整数倍时，谐振腔中驻波可以达到谐振状态，悬浮能力达到最优。本发明则是充分运用了这一点，计算并调节换能器位置达到最优，而且超声波换能器还加装了外壳方便固定和更换发射头。

本发明的超声波可以在人体组织中传播，因此，利用驻波悬浮技术将有能力将药物输送到指定器官，清除肾结石或者将可植入的医疗器械引导到身体中。还可将样品束缚于势阱内，无容器环境是溶液和金属溶体获得深过冷的重要条件，声悬浮技术可以实现对样品的空间定位，并提供稳定的无容器环境，从而被广泛应用于研究亚稳态液体的相变，声悬浮可以通过对液滴操控进行生化分析，利用声悬浮技术对细胞进行操纵。在此技术上继续发展，可以从简单的粒子捕获扩展到细胞、生物体在三维空间的精确旋转和移动，声悬浮的多功能性和生物相容性应该能解决生物学和生物医学领域的当前挑战，例如分离和检测用于癌症诊断的生物标记物。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于驻波悬浮的无接触传输系统，包括箱体（1），其特征在于，所述箱体（1）上固定有换能器阵列，箱体（1）内设有微控制器（4）、驱动器（5）、电池（6）和按键单元，换能器阵列与驱动器（5）相连接，驱动器（5）、电池（6）和按键单元均与微控制器（4）相连接；

所述换能器阵列包括两个垂直设置的换能器组，换能器组与一个驱动器（5）相连接，每个换能器组包括两个相对且同轴设置的超声波换能器，超声波换能器通过外壳固定在箱体（1）上；

所述微控制器（4）与蓝牙模块（7）相连接，蓝牙模块与移动终端相连接，蓝牙模块（7）设置箱体（1）内；

其工作原理为：所述微控制器（4）利用四个定时器分别产生八组互补的PWM波，驱动器（5）通过H桥电路放大后输出两个通道的方波，方波加载在两个相对的超声波换能器上，两个相对的超声波换能器产生振幅和频率相同，但传播方向相反的两组超声波，两组超声波相遇后叠加形成驻波，驻波的波节和波腹的位置始终不变用来稳定悬浮物体；微控制器（4）通过调节PWM波的频率和占空比改变PWM波的相位，从而改变超声波换能器产生的超声波的相位，调节换能器阵列产生的超声波阵列，改变波节位置，悬浮物体会随着波节的移动而移动。

2.根据权利要求1所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，所述超声波换能器为直径16mm、中心频率40KHz、带宽1.2KHz、峰峰值80V的超声波换能器；所述换能器组的两个超声波换能器之间的距离为21.25mm。

3.根据权利要求2所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，所述电池（6）与稳压模块（8）相连接，稳压模块（8）设置在箱体（1）内；所述稳压模块（8）分别与微控制器（4）、驱动器（5）和蓝牙模块（7）相连接；所述电池（6）为11.1V航模电池；所述稳压模块（8）采用型号为LM2596的降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，开关电压调节器包括BUCK降压电路，且稳压模块（8）可以输出3.3V、5V、12V的电压。

4.根据权利要求3所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，所述按键单元包括4个按键，按键分别与微控制器（4）的四个输入端口相连接。

5.根据权利要求1或4所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，所述微控制器（4）为型号为STM32的核心板，核心板内设有四个定时器，用来分别产生八组互补的PWM波形；所述驱动器（5）的型号为TB6612FNG，驱动器（5）包括两个H桥电路，每个H桥电路与超声波换能器相连接；蓝牙模块（7）采用型号为CC2541的低功耗蓝牙，蓝牙模块（7）通过串口与微控制器（4）相连接。

6.根据权利要求1所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，所述微控制器（4）的程序先初始化按键、串口、定时器，然后进入死循环判断，先判断按键是否按下，如果对应的按键按下则将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；再判断串口是否接收到数据，如果接收到蓝牙模块（7）发出的有效的信息，则在串口中断中解析出关键信息，在循环中依据解析的关键信息将相应的移动标志位置1，否则所有移动标志位置0；在程序运行的过程中，定时器会不断的进入更新中断，在更新中断中不断的检测四个移动标志位哪个是否置1，如果检测到某个移动标志位置1，那么将改变对应定时器的频率和占空比，然后所有移动标志位置0，退出中断。

7.根据权利要求6所述的基于驻波悬浮的无接触传输系统，其特征在于，在定时器更新中断中微控制器（4）改变对应定时器的频率和占空比，从而实现互补PWM波形相位的移动，互补PWM波形经过驱动器（5）变成峰值Vp-p = 24V的方波，PWM波形相位的移动使得方波波形相位对应的移动，最终的效果是超声换能器产生的驻波声场相位的移动，从而使物体在声场中稳定的移动。

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