農(nóng)用超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。超聲波發(fā)生器的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展相伴相生，應(yīng)用十分廣泛，本設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一系列處理電路的作用后生成用來(lái)殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農(nóng)業(yè)上加以采用。在此對(duì)3個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：
(1)信號(hào)發(fā)生模塊。12 MHz的8051單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計(jì)。
(2)信號(hào)處理模塊。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(CD4069非門(mén)集成芯片)；倍頻電路設(shè)計(jì)(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(shè)計(jì)(CD4069非門(mén)集成芯片)；和頻電路設(shè)計(jì)(CD4081與門(mén)集成芯片)；選頻電路設(shè)計(jì)(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(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字示波器的連接。
在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz)；開(kāi)關(guān)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(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)
選取一個(gè)8051單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I／O口資源進(jìn)行相應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯：用P3．2口控制初始信號(hào)的發(fā)射與否，用P0．O口、P0．1口發(fā)射初始信號(hào)，如圖1所示。

2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)
2．1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
如果將兩列波(0．03 MHz)直接從單片機(jī)的輸出口PO．O和P0．1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會(huì)由于電流小而不能驅(qū)動(dòng)倍頻電路。從這點(diǎn)來(lái)考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。在單片機(jī)的一個(gè)輸出口接一個(gè)非門(mén)，而后接入由4個(gè)非門(mén)并聯(lián)的電路，由于非門(mén)是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號(hào)能量大大提高，起到驅(qū)動(dòng)電路的功能(若用方波發(fā)生器來(lái)代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動(dòng)電路)。

2．2 倍頻電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)知識(shí)可以由已知條件得出：

如圖3所示，當(dāng)在LC并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，由電路的特性可知：

并聯(lián)諧振具有下列特征：
(1)諧振時(shí)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(shí)達(dá)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(duì)電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個(gè)電阻。
(3)諧振時(shí)各并聯(lián)支路的電流為：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可見(jiàn)IL=Ic>Io，品質(zhì)因數(shù)Q=IL／Io。
(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，電路阻抗摸最大，電流通過(guò)時(shí)在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時(shí)電路不發(fā)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(zhì)因數(shù)Q值越大，選擇性越強(qiáng)。
通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個(gè)工作區(qū)：
(1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)镮c和Ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對(duì)NPN型管來(lái)說(shuō)，應(yīng)使Ube>O，UbcO。
(2)截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時(shí)，Ic=Iceo。對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)UbeO．5 V時(shí)，即已經(jīng)開(kāi)始截止，但是為了截止可靠，常使UbeO。截止時(shí)集店結(jié)也處于反向偏置。
(3)飽和區(qū)。當(dāng)UceUbe時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，Ib的變化對(duì)Ic的影響較小，兩者不成正比，放大區(qū)的β不能適用于飽和區(qū)。飽和時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置。本實(shí)驗(yàn)是利用三極管的放大作用，進(jìn)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(guò)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(lián)交流電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時(shí)，在擾動(dòng)信號(hào)中只有頻率為f0的分量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時(shí)，LC并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻Rc)。因此，對(duì)f0這個(gè)頻率來(lái)說(shuō)，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿足自激振蕩的條件時(shí)，就產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于其他頻率的分量，不能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號(hào)。當(dāng)改變LC電路的參數(shù)L或C時(shí)，輸出信號(hào)的振蕩頻率也就改變，于是就可以進(jìn)行倍頻，本實(shí)驗(yàn)用的是五倍頻，如圖4所示。