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自19世紀末到20世紀初，在物理學上發現了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發展與推廣超聲技術的歷史篇章。超聲波發生器的發展與工農業的發展相伴相生，應用十分廣泛，本設計的超聲波發生器是利用單片機生成初始信號，然后經過一系列處理電路的作用后生成用來殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農業上加以采用。在此對3個模塊進行設計： (1)信號發生模塊。12 MHz的8051單片機硬件連接及其程序設計。 (2)信號處理模塊。驅動電路設計(CD4069非門集成芯片)；倍頻電路設計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、11 257．9 nH自制電感、1 kΩ電阻)；整波電路設計(CD4069非門集成芯片)；和頻電路設計(CD4081與門集成芯片)；選頻電路設計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、112．58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。 (3)信號檢測模塊、數字示波器的連接。 在上述研究基礎上，設計一臺超聲波發生器樣機，其技術指標如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz)；開關頻率：1．5～1．8 MHz；最大的輸出功率：500 W；功率范圍：50～500 W。 1 信號發生模塊的設計 選取一個8051單片機芯片，將晶振電路、復位電路、電源電路連接到單片機相應的引腳上組成單片機的最小系統。利用單片機的中斷資源和I／O口資源進行相應連接并進行程序編輯：用P3．2口控制初始信號的發射與否，用P0．O口、P0．1口發射初始信號，如圖1所示。 2 信號處理模塊的設計 2．1 驅動電路的設計 如果將兩列波(0．03 MHz)直接從單片機的輸出口PO．O和P0．1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會由于電流小而不能驅動倍頻電路。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動電路，如圖2所示。在單片機的一個輸出口接一個非門，而后接入由4個非門并聯的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅動電路的功能(若用方波發生器來代替單片機就可省略驅動電路)。 2．2 倍頻電路的設計 根據電容電感元件的基本特性，以及電路的相關知識可以由已知條件得出： 如圖3所示，當在LC并聯電路中發生并聯諧振時，由電路的特性可知： 并聯諧振具有下列特征： (1)諧振時電路的阻抗摸為|Zo|=1／(RC／L)=L／RC。其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時達到最小值，即I=IO=U／(L／RC)=U／|Zo|。 (2)由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0)，因此電路對電源呈現電阻性。諧振時電路的阻抗摸|Zo|相當于一個電阻。 (3)諧振時各并聯支路的電流為：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可見IL=Ic＞Io，品質因數Q=IL／Io。 (4)當電路發生諧振時，電路阻抗摸最大，電流通過時在電路兩端產生的電壓也是最大。當電源為其他頻率時電路不發生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質因數Q值越大，選擇性越強。 通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個工作區： (1)放大區。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區，Ic=βIb。放大區也稱為線性區，因為Ic和Ib成正比的關系。當晶體管工作于放大區時，發射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置，即對NPN型管來說，應使Ube＞O，Ubc＜O。 (2)截止區。Ib=0的曲線以下的區域稱為截止區。Ib=0時，Ic=Iceo。對NPN型硅管而言，當Ube＜O．5 V時，即已經開始截止，但是為了截止可靠，常使Ube＜O。截止時集店結也處于反向偏置。 (3)飽和區。當Uce＜Ube時，集電結處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態。在飽和區，Ib的變化對Ic的影響較小，兩者不成正比，放大區的β不能適用于飽和區。飽和時，發射結也處于正向偏置。本實驗是利用三極管的放大作用，進行5倍頻放大并選頻，因此是第1種情況。 LC選頻電路接在集電極電路中，通過的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓)，它是并聯交流電路。當發生并聯諧振時，諧振頻率可求得，當將振蕩電路與電源接通時，在擾動信號中只有頻率為f0的分量才發生并聯諧振。在并聯諧振時，LC并聯電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當于集電極負載電阻Rc)。因此，對f0這個頻率來說，電壓放大倍數最高，當滿足自激振蕩的條件時，就產生自激振蕩。對于其他頻率的分量，不能產生并聯諧振，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。當改變LC電路的參數L或C時，輸出信號的振蕩頻率也就改變，于是就可以進行倍頻，本實驗用的是五倍頻，如圖4所示。 在實驗中已知頻率和電容參數計算電感參數，由已知條件可得：Ll=L2=11257．9 nH；L3=112．58 nH。 由單片機輸出的信號頻率即在A1點或A2點(0．03 MHz)經由5倍頻放大后輸出的信號頻率應為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(O．15 MHz)，仿真結果如圖5所示。 2．3 整波電路的設計 在本實驗中運用的是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開啟電壓經過這樣的處理就可將輸入波整合成方波，如圖6所示。 由5倍頻放大器輸出的信號頻率即在A3點或A4點(0．15 MHz)經由兩個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應為方波，仿真結果如圖7所示。 2．4 和頻電路的設計 在本實驗中運用的是CD4081集成與門電路，與門主要是將輸入的兩列方波信號相互作用后再輸出，而后進入后面的5倍頻電路進行進一步的處理。在本實驗中與門起到了乘法器的作用，并且可以減少雜波的干擾，使實驗效果更加良好。 其中與門實現和頻的原理是實驗中的關鍵，下面就對此做出討論：設兩列占空比為1；1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分別為f0和f1= f0+△，其中f0為標準頻率，f1為待測頻率，設f1≥f0且1≤f1／f0＜2(同理可證明f0≥f1且1≤f0／fl＜2的情況)，△max=max{△}＜f0。將兩方波b(t)和x(t)加到與門的輸入端(相乘)，則產生b(t)·x(t)的輸出。兩個方波按偶函數展開為： 根據傅里葉有關定理知：設周期為2l周期函數f(x)滿足收斂定理條件，則它的傅里葉級數展開式為： 假設有兩列波： 方波1可表示為： sinω1t+(1/3)sin3ω1t+(1/5)sin5ω1t+… 方波2可表示為： sinω2t+(1/3)sin3ω2t+(1/5)sin5ω2t+… 方波1乘以方波2就為ω1+ω2波。 本實驗中方波1(0．15 MHz)與方波2(0．15 MHz)經過與門后就變成0．3 MHz(0．15MHz+0．15MHz)的方波，如圖8所示。 由非門輸出的信號頻率即在A5點(0．15MHz)或A6點(0．15MHz)經由與門后輸出的信號應為頻率為O．3 MHz的方波(即在A7點)，仿真結果如圖9所示。 2．5 選頻電路的設計 在本實驗中運用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，如圖10所示。 由與門輸出的信號頻率即在A7點(O．3 MHz)經過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1．5 MFIz，仿真結果如圖11所示。 2．6 整體電路的設計 整體電路如圖12所示。由單片機輸出的信號頻率即在A1點或A2點(O．03 MHz)經由5倍頻放大后輸出的信號頻率應為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(0．15 MHz)；經由2個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應為方波；由非門輸出的信號頻率即在A7點應為兩列方波經由與門后輸出的信號應為頻率相加的方波(O．3 MHz)；由與門輸出的信號頻率即在A7點經過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1．5 MHz(A8點)，仿真結果如圖13所示。 3 信號檢測模塊的設計 在本設計中由信號發生模塊發出O．03 MHz初始信號后，經過信號處理模塊后是否達到預定要求，這需要經過檢測模塊檢測最終信號是否達到1．5～1_8 MHz的頻率要求。本模塊由數字示波器來進行檢測的，經過查看圖形，設計達到預期要求，如圖14所示。 4 結語 本設計中設計的農用超聲波發生器結構簡單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩定。該超聲波發生器不僅可以在農業上用來殺滅水蚤，而且可以一機多用，因為該機的功能完全取決于8051單片機的所編程序，根據實際需要，可以隨時改變程序設計來滿足要求，可移植性好。該超聲波發生器成本較低，實用性好，便于在農業上廣泛普及。 |
