农用超声波发生器的设计

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。超声波发生器的发展与工农业的发展相伴相生，应用十分广泛，本设计的超声波发生器是利用单片机生成初始信号，然后经过一系列处理电路的作用后生成用来杀灭水蚤的超声波，成本低、效果好，可以在农业上加以采用。在此对3个模块进行设计：
    (1)信号发生模块。12 MHz的8051单片机硬件连接及其程序设计。
    (2)信号处理模块。驱动电路设计(CD4069非门集成芯片)；倍频电路设计(S9014或ECGl08三极管、104普通电容、11 257．9 nH自制电感、1 kΩ电阻)；整波电路设计(CD4069非门集成芯片)；和频电路设计(CD4081与门集成芯片)；选频电路设计(S9014或ECGl08三极管、104普通电容、112．58 nH自制电感、1 kΩ电阻)。
    (3)信号检测模块、数字示波器的连接。
    在上述研究基础上，设计一台超声波发生器样机，其技术指标如下：输入电压：220 VAC(50 Hz)；开关频率：1．5～1．8 MHz；最大的输出功率：500 W；功率范围：50～500 W。

1 信号发生模块的设计
    选取一个8051单片机芯片，将晶振电路、复位电路、电源电路连接到单片机相应的引脚上组成单片机的最小系统。利用单片机的中断资源和I／O口资源进行相应连接并进行程序编辑：用P3．2口控制初始信号的发射与否，用P0．O口、P0．1口发射初始信号，如图1所示。

2 信号处理模块的设计
2．1 驱动电路的设计
    如果将两列波(0．03 MHz)直接从单片机的输出口PO．O和P0．1输出接入后面的5倍频电路，可能会由于电流小而不能驱动倍频电路。从这点来考虑就需要在单片机与倍频电路之间接入一个驱动电路，如图2所示。在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能(若用方波发生器来代替单片机就可省略驱动电路)。

2．2 倍频电路的设计
    根据电容电感元件的基本特性，以及电路的相关知识可以由已知条件得出：
   
    如图3所示，当在LC并联电路中发生并联谐振时，由电路的特性可知：
   
    并联谐振具有下列特征：
    (1)谐振时电路的阻抗摸为|Zo|=1／(RC／L)=L／RC。其值最大，即比非谐振情况下的阻抗摸要大。因此在电源电压U一定的情况下，电路中的电流I将在谐振时达到最小值，即I=IO=U／(L／RC)=U／|Zo|。
    (2)由于电源电压与电路中电流同相(∮=0)，因此电路对电源呈现电阻性。谐振时电路的阻抗摸|Zo|相当于一个电阻。
    (3)谐振时各并联支路的电流为：IL=U／2πfoL；Ic=U／(1／2πfoC)，可见IL=Ic>Io，品质因数Q=IL／Io。
    (4)当电路发生谐振时，电路阻抗摸最大，电流通过时在电路两端产生的电压也是最大。当电源为其他频率时电路不发生谐振，阻抗摸较小，电路两端的电压也较小。这样就起到了选频的作用。电路的品质因数Q值越大，选择性越强。
    通常把晶体管的输出特性曲线分为3个工作区：
    (1)放大区。输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，Ic=βIb。放大区也称为线性区，因为Ic和Ib成正比的关系。当晶体管工作于放大区时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管来说，应使Ube>O，Ubc<O。
    (2)截止区。Ib=0的曲线以下的区域称为截止区。Ib=0时，Ic=Iceo。对NPN型硅管而言，当Ube<O．5 V时，即已经开始截止，但是为了截止可靠，常使Ube<O。截止时集店结也处于反向偏置。
    (3)饱和区。当Uce<Ube时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，Ib的变化对Ic的影响较小，两者不成正比，放大区的β不能适用于饱和区。饱和时，发射结也处于正向偏置。本实验是利用三极管的放大作用，进行5倍频放大并选频，因此是第1种情况。
    LC选频电路接在集电极电路中，通过的交流电流为Ic，其两端交流电压为Uce(即为输出电压)，它是并联交流电路。当发生并联谐振时，谐振频率可求得，当将振荡电路与电源接通时，在扰动信号中只有频率为f0的分量才发生并联谐振。在并联谐振时，LC并联电路的阻抗最大，并且是电阻性的(相当于集电极负载电阻Rc)。因此，对f0这个频率来说，电压放大倍数最高，当满足自激振荡的条件时，就产生自激振荡。对于其他频率的分量，不能产生并联谐振，这就达到了选频的目的。在输出端得到的只是频率为f0的信号。当改变LC电路的参数L或C时，输出信号的振荡频率也就改变，于是就可以进行倍频，本实验用的是五倍频，如图4所示。

    在实验中已知频率和电容参数计算电感参数，由已知条件可得：Ll=L2=11257．9 nH；L3=112．58 nH。
    由单片机输出的信号频率即在A1点或A2点(0．03 MHz)经由5倍频放大后输出的信号频率应为输入信号频率的5倍即为A3点或A4点(O．15 MHz)，仿真结果如图5所示。

2．3 整波电路的设计
    在本实验中运用的是CD4069集成非门电路，非门主要是将输入信号波整合成方波以便于后面与门对波的进一步处理。只要工作电压达到非门的开启电压经过这样的处理就可将输入波整合成方波，如图6所示。

    由5倍频放大器输出的信号频率即在A3点或A4点(0．15 MHz)经由两个非门后(即在A5点或A6点)输出的信号应为方波，仿真结果如图7所示。
2．4 和频电路的设计
    在本实验中运用的是CD4081集成与门电路，与门主要是将输入的两列方波信号相互作用后再输出，而后进入后面的5倍频电路进行进一步的处理。在本实验中与门起到了乘法器的作用，并且可以减少杂波的干扰，使实验效果更加良好。
    其中与门实现和频的原理是实验中的关键，下面就对此做出讨论：设两列占空比为1；1幅值为1的方波b(t)和x(t)的频率分别为f0和f1= f0+△，其中f0为标准频率，f1为待测频率，设f1≥f0且1≤f1／f0<2(同理可证明f0≥f1且1≤f0／fl<2的情况)，△max=max{△}<f0。将两方波b(t)和x(t)加到与门的输入端(相乘)，则产生b(t)·x(t)的输出。两个方波按偶函数展开为：
   
    根据傅里叶有关定理知：设周期为2l周期函数f(x)满足收敛定理条件，则它的傅里叶级数展开式为：
   

    假设有两列波：
方波1可表示为：
    sinω1t+(1/3)sin3ω1t+(1/5)sin5ω1t+…
方波2可表示为：
    sinω2t+(1/3)sin3ω2t+(1/5)sin5ω2t+…
方波1乘以方波2就为ω1+ω2波。
    本实验中方波1(0．15 MHz)与方波2(0．15 MHz)经过与门后就变成0．3 MHz(0．15MHz+0．15MHz)的方波，如图8所示。

    由非门输出的信号频率即在A5点(0．15MHz)或A6点(0．15MHz)经由与门后输出的信号应为频率为O．3 MHz的方波(即在A7点)，仿真结果如图9所示。
2．5 选频电路的设计
    在本实验中运用的5倍频选频电路和5倍频倍频电路的原理相同，如图10所示。

    由与门输出的信号频率即在A7点(O．3 MHz)经过5倍频选频电路后输出的超声波的频率为1．5 MFIz，仿真结果如图11所示。
2．6 整体电路的设计
    整体电路如图12所示。由单片机输出的信号频率即在A1点或A2点(O．03 MHz)经由5倍频放大后输出的信号频率应为输入信号频率的5倍即为A3点或A4点(0．15 MHz)；经由2个非门后(即在A5点或A6点)输出的信号应为方波；由非门输出的信号频率即在A7点应为两列方波经由与门后输出的信号应为频率相加的方波(O．3 MHz)；由与门输出的信号频率即在A7点经过5倍频选频电路后输出的超声波的频率为1．5 MHz(A8点)，仿真结果如图13所示。

3 信号检测模块的设计
    在本设计中由信号发生模块发出O．03 MHz初始信号后，经过信号处理模块后是否达到预定要求，这需要经过检测模块检测最终信号是否达到1．5～1_8 MHz的频率要求。本模块由数字示波器来进行检测的，经过查看图形，设计达到预期要求，如图14所示。

4 结语
    本设计中设计的农用超声波发生器结构简单、使用方便、维修便宜，可靠性好，性能稳定。该超声波发生器不仅可以在农业上用来杀灭水蚤，而且可以一机多用，因为该机的功能完全取决于8051单片机的所编程序，根据实际需要，可以随时改变程序设计来满足要求，可移植性好。该超声波发生器成本较低，实用性好，便于在农业上广泛普及。