專利名稱：一種小功率高頻超聲波電源實現方法
技術領域：
本發明涉及一種用于產生小功率高頻超聲波的電源裝置及其實現方法。
背景技術：
現有的超聲波生物處理方式為:通過超聲波電源設備產生連續的某一大功率和頻率的超聲波，然后以該功率和該頻率的超聲波作用于處理對象，然而，這種固定位置的處理方式不能滿足隨機移動、機動處理和小功率高頻率等特定實驗應用的要求；另一方面是現有的超聲波設備比較笨重，使用不靈活，功耗高，為實驗帶來諸多不便。鑒于此，為解決這些矛盾有必要研發一種新的高效的小功率高頻超聲波電源裝置，能同時控制作用時間、功率和頻率，以提高生產過程中的經濟效益。該系統采用5V直流電源供電，能夠減少傳統超聲波電源在整流電路中的能量損耗和逆變電路的開關損耗，適應當今社會節能環保高效的需求；同時該系統能夠提供多種不同組合的超聲波控制信號輸出，為系統提供了多種工作方式，能夠減少實驗中儀器使用的數量并且降低了投資成本；本系統具有較小的體積，應用更靈活，主要應用于科研院所，實驗臺等對應用對象環境要求比較高的場所，將具有較高的科研與實用價值。

發明內容
為彌補現有超聲波電源設備在實際專業領域應用中的不足，本發明提供了一種小功率高頻超聲波電源裝置及其實現方法。該裝置通過軟硬件結合的實驗方式，硬件部分主要由電源操作面板、超聲波電源電路、超聲振子及其匹配電感構成。操作面板結構配有電源開關按鍵及其指示燈、復位按鍵及其指示燈、頻率選擇按鍵及其指示燈、模式選擇按鍵及其指示燈和功率選擇按鍵及其指示燈；電源電路主要由電源開關電路、復位電路、晶振電路、按鍵電路、各狀態顯示指示燈電路、橢圓濾波電路、模式和功率斬波開關電路、功率放大電路及匹配網絡電路構成。該裝置的頻率發生模塊、模式設定模塊、功率選擇模塊、匹配電感切換控制模塊和指示燈的控制模塊均是由軟件編程實現。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:裝置由電源操作面板、超聲波電源電路、超聲振子及其匹配電感構成。根據應用對象的實際需求，該裝置的工作頻率、工作模式和工作功率能夠組合成不同的工作狀態對作用對象進行處理。超聲波電源的三種工作方式的實現及其對應指示燈的亮滅主要是通過軟件編程來完成。通過對單片機進行編程產生三種頻率不同且占空比相同的方波脈沖信號，方波脈沖信號通過橢圓濾波器濾波后變成和方波基波同頻的正弦波信號，再通過對頻率選擇單按建的編程，控制不同頻率的正弦波信號的輸出和對應頻率的匹配電感的切換，同時控制對應的指示燈亮滅，來實現工作頻率的工作狀態的顯示；工作模式主要是通過編程由單片機設計定時器，來控制其I/o端口輸出，通過對模式選擇單按建進行編程來控制輸出I/O端口的高低電平的連續工作時間，同時控制對應指示燈的亮滅，來實現工作模式工作狀態的顯示；功率控制是通過編程使其輸出不同占空比的方波信號，通過對功率選擇單按建編程控制輸出方波的占空比實現不同功率輸出，同時控制對應的指示燈的亮滅，實現工作功率狀態的顯示。模式輸出控制信號、功率輸出控制信號和供電電源信號通過硬件斬波電路和開關電路形成組合控制信號，模式和功率組合控制信號再和頻率控制形成的正弦波控制信號經過耦合電路、功率推挽放大電路作用于匹配網絡，匹配網絡由換能器將電能轉化為機械能應用于作用對象。
該電源裝置三種工作方式具體實現過程為控制頻率給定的單按鍵按下第一次，頻率一的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮，同時單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通，控制對應該頻率的大諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵按下第二次，頻率二的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮同時對應頻率一的工作狀態指示燈滅，單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通，控制對應該頻率的中諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵按下第三次，頻率三的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮同時對應頻率二的工作狀態指示燈滅，單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通，控制對應該頻率的小諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次按下時的操作過程；控制模式給定的單按鍵按下第一次，模式一的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮；控制模式給定的單按鍵按下第二次，模式二的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮同時模式一的模式工種狀態指示燈滅；控制模式給定的單按鍵按下第三次，模式三的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮同時模式二的模式工種狀態指示燈滅；控制模式給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次的操作過程；控制功率給定的單按鍵按下第一次，弱功率對應的小占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮；控制功率給定的單按鍵按下第二次，中功率對應的中占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮同時小功率的功率工作狀態指示燈滅；控制功率給定的單按鍵按下第三次，強功率對應的大占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮同時中功率的功率工種狀態指示燈滅；控制功率給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次的操作過程；以上頻率給定、模式給定和功率給定這三種工作方式之間互不干擾，相互獨立進行。
在電源正面操作面板上，左上角是復位開關，在復位開關右側配有復位開關狀態指示燈；電源操作面板的左下角是電源開關，在電源開關的右側配有開關狀態指示燈；在電源開關狀態指示燈的右邊位置配有頻率給定按鍵，在頻率給定按鍵上面配有三種頻率工作狀態指示燈；在頻率給定按鍵的右面配有模式給定按鍵，在模式給定按鍵上面配有三種模式工作狀態指示燈；在模式給定按鍵的右面配有功率給定按鍵，在功率給定按鍵上面配有三種功率工作狀態指示燈。
小功率高頻超聲波電源電路主要由電源開關操作電路、復位電路、晶振電路、按鍵電路、各狀態顯示指示燈電路、橢圓濾波電路、模式和功率斬波開關電路、功率放大電路和匹配網絡電路構成。電源開關電路和復位電路分別通過電源開關按鍵和復位按鍵與單片機相連接；按鍵電路一端與單片機的開關控制引腳相連另一端接地；指示燈電路中發光二級管的陰極分別與單片機對應不同的引腳相連接，陽極通過上拉電阻與電源的正端相連接；橢圓濾波電路的輸入端與單片機對應的頻率脈沖控制信號的輸出端相連，橢圓濾波電路的輸出端經耦合電容與功率放大電路相連；模式、功率斬波開關電路的與門輸入端分別與單片機的模式脈沖控制信號輸出端和功率脈沖控制信號的輸出端相連，模式、功率斬波開關電路輸出端經穩壓濾波后與功率放大電路相連；功率放大電路中的組合控制信號經匹配網絡中的換能器將電能轉換為機械能作用于應用對象。
本發明的有益效果是:是一種低功耗、便攜式、易操作、多種工作方式、適用于科學研究場所和實驗平臺的超聲波電源裝置。其通過軟硬件相結合的設計方法，機體及電路結構簡單，易于批量生產；其高頻小功率的設計彌補了原有超聲波電源存在的不足。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明實施例一小功率高頻超聲波電源的結構外觀正面配置示意圖。
圖2是本發明實施例一小功率高頻超聲波電源的系統框圖。
圖3是本發明實施例的一種電源主電路原理結構圖。
圖4是本發明實施例的系統運行流程圖。
在圖1和圖3中:1.超聲波電源機殼正面操作面板結構，2.復位開關按鍵，3.復位指示燈，4.供電電源開關按鍵，5.供電電源指示燈，6.頻率給定操作按鍵，7.頻率給定檔指示燈8.模式給定操作按鍵，9.模式給定檔指示燈，10.功率給定操作按鍵，11.功率給定檔指示燈，12.超聲波振子。
在圖3中:V。。為正5V直流工作電源，Rtl為發光二極管Dtl的上拉電阻，&為發光二極管D1的上拉電阻，R2為發光二極管D2的上拉電阻，R3為發光二極管D3的上拉電阻，R4為發光二極管D4的上拉電阻，R5為發光二極管D5的上拉電阻，R6為發光二極管D6的上拉電阻，R7為發光二極管D7的上拉電阻，R8為發光二極管D8的上拉電阻；％為指示工作方式的第一個發光二極管，D1為指示工作方式的第二個發光二極管，D2為指示工作方式的第三個發光二極管，D3為指示工作方式的第四個發光二極管，D4為指示工作方式的第五個發光二極管，D5為指示工作方式的第六個發光二極管，D6為指示工作方式的第七個發光二極管，D7為指示工作方式的第八個發光二極管，D8為指示工作方式的第九個發光二極管；R9為復位電路大電阻，R1。為復位電路小電阻；KeyO為復位操作單按鍵，Cf為復位電路電容J1為外部晶振，Cpl為晶振電路上側晶 振起振電容，Cp2為晶振電路下側晶振起振電容；Keyl為頻率給定控制單按鍵，Key2為模式給定控制單按鍵，Key3為功率給定控制單按鍵;M為模式脈沖控制信號，P為功率脈沖控制信號，F為頻率脈沖控制信號，Dm是與門脈沖控制二極管，Dp為與門斬波控制二極管，Rsqb為斬波驅動三極管基極偏流電阻，Tso為斬波驅動三極管，Rsg為斬波開關MOSFET器件柵極偏流電阻，Rs0c為斬波驅動集電極負載電阻，Qse為斬波開關MOSFET器件，Dse為穩壓續流二極管，Lse為平波電感，Cse為平波電容^為自舉分壓電阻，R02為自舉電阻,Ttjl為上臂推挽三極管,C0為自舉電容,Dsi為第一交越二極管,Ds2為第二交越二極管，Rof為功率反饋電阻，Rob為功率反饋分壓電阻，Ts3為前置功率放大三極管，Rs3e為前置功放射極電阻，T02為下臂推挽三極管，V0為功率輸出接線端，V為電感接線端，L0為諧振電感，Z為振子等效阻抗；U為五階橢圓低通濾波器的第一個濾波電感，L2為五階橢圓低通濾波器的第二個濾波電感，C1為五階橢圓低通濾波器第一濾波電容，C2為五階橢圓低通濾波器第二濾波電容，C3為五階橢圓低通濾波器第三濾波電容，C4為五階橢圓低通濾波器第四濾波電容，C5為五階橢圓低通濾波器第五濾波電容，Cc為振蕩信號稱合電容。
在圖3中:U1為ATmegal6單片機，U2為單8通道數字控制模擬電子開關⑶4051，U1的第40引腳為發光二級管Dtl的控制引腳PAOd1的第39引腳為發光二級管D1的控制引腳PA1，U1的第38引腳為發光二級管D2的控制引腳PA2，U1的第37引腳為發光二級管D3的控制引腳PA3，Ui的第36引腳為發光二級管D4的控制引腳PAlU1的第35引腳為發光二級管D5的控制引腳PA5，U1的第34引腳為發光二級管D6的控制引腳PA6，U1的第33引腳為發光二級管D7的控制引腳PA7，U1的第2引腳為發光二級管D8的控制引腳PBl 的第9引腳為復位引腳.Λ的第13引腳為外部晶振連接引腳XTAL1，U1的第12引腳為外部晶振連接引腳XTAL2 的第14引腳為頻率給定按鍵控制引腳TOhU1的第15引腳為模式給定按鍵控制引腳I3DLU1的第16引腳為功率給定按鍵控制引腳H)2 的第11引腳為單片機接地引腳GNDd1的第10引腳為單片機電源供電引腳V。。的第5引腳為U2的地址端A的控制引腳PBlU1的第6引腳為U2的地址端B的控制引腳PB5，Ui的第7引腳為U2的地址端C的控制引腳PB6，Ui的第8引腳為U2的禁止端INH的控制引腳PB7 的第4引腳為功率脈沖控制信號輸出引腳OCOd1的第22引腳為模式脈沖控制信號輸出引腳PCOd1的第21引腳為頻率脈沖控制信號輸出引腳0C2 ；U2的第16引腳為電源輸入引腳VDD，U2的第11引腳為地址端控制信號輸入引腳A，U2的第10引腳為地址端控制信號輸入引腳B，U2的第9引腳為地址端控制信號輸入引腳C，U2的第6引腳為禁止端控制信號輸入引腳INH，U2的第8引腳為數字信號接地端Vss，U2的第I引腳為開關的信號輸出端引腳0UT1，U2的第2引腳為開關的信號輸出端引腳0UT2，U2的第4引腳為開關的信號輸出端引腳0UT3，U2的第3引腳為開關的公共輸入端引腳IN。
具體實施方式
該電源裝置采用軟件和硬件相結合的設計方法，通過對ATmegaie單片機編程用三個單按鍵控制頻率給定、模式給定和功率給定、對應匹配電感接入以及對應的指示燈亮滅。頻率給定具體的實現過程是用單片機編程輸出需要頻率的方波信號，同時根據接入頻率的不同，利用單片機編程來控制單8通道數字控制模擬電子開關，使開關對應的匹配電感的通道導通，接入對應頻率的匹配電感，同時對應頻率的工作狀態指示燈亮；模式給定的具體實現過程是利用單片機編程設計相應工作模式的定時器，定時到設定的模式后讓I/O口電平取反，從而使其在對應的模式上工作/停止交替進行，同時對應模式的工作狀態指示燈亮；功率給定具體軟件實現是通過對ATmegaie單片機編程來控制輸出不同占空比的方波信號，使不同功率對應不同的占空比，同時對應功率工作狀態的指示燈亮。通過軟件實現的頻率給定、模式給定和功率給定，通過相應的硬件電路使其最終輸出不同頻率、模式和功率組合的小功率高頻超聲波控制信號來驅動超聲振子振動，超聲振子把電能轉換為機械能作用于不同的作用對象，以滿足不同場合對超聲波電源的需求。
在圖1所示的本發明實施例一小功率高頻超聲波電源結構外觀正面配置示意圖中:在超聲波電源機殼正面操作面板I的左側從上到下依次裝配復位開關按鍵2和供電電源開關按鍵4，在超聲波電源機殼正面操作面板I的供電電源開關4的右側，從左到右依次為頻率給定開關按鍵6、模式給定按鍵8和功率給定按鍵10 ;在超聲波電源機殼正面操作面板I的左上角復位開關按鍵2的右側，配有復位開關指示燈3 ;在超聲波電源機殼正面操作面板I的左下角電源開關4的右側配有供電電源開關指示燈5 ;在超聲波電源機殼正面操作面板I右端的功率按鍵10的上側配有功率檔指示燈11 ;在超聲波電源機殼正面操作面板I的功率給定按鍵10和功率檔指示燈11的左側模式給定按鍵8的上端配有模式檔指示燈9 ;在超聲波電源機殼正面操作面板I的復位開關指示燈3、供電電源開關指示燈5和模式給定開關8及其模式檔指示燈9中間的頻率給定按鍵6的上端，裝配有頻率檔指示燈7。
在圖2所示的本發明實施例一小功率高頻超聲波電源的系統框圖中:頻率給定、模式給定和功率給定控制信號分別通過單按鍵向ATmegal6單片機的引腳發送高低電平控制信號，ATmegal6單片機經過讀取引腳的高低電平作出響應，分別輸出相同占空比的不同頻率方波脈沖控制信號、不同工作時間模式的脈沖控制信號和不同占空比的功率方波脈沖控制信號，并且對應的工作方式指示燈亮滅；頻率方波脈沖信號經過橢圓濾波變換成和方波基頻同頻的正弦波控制信號，模式脈沖控制信號和功率脈沖控制信號分別經過二極管斬波和MOSFET開關管結合組成開關電路，正弦波控制信號和模式、功率控制信號經過耦合和功率放大電路作用于匹配網絡，匹配網絡最后經過換能執行將電能轉化為機械能作用于被處理的對象。
在圖3所示的本發明實施例的電源主電路原理結構圖中:狀態顯示指示燈的上拉電阻Rtl的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管Dtl的陽極相連，Dtl的陰極與U1的第40引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R1的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管D1的陽極相連，D1的陰極與U1的第39引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R2的左端與正5V工作電源Vrc相連,右端與指示工作方式的發光二極管D2的陽極相連，D2的陰極與U 1的第38引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R3的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管D3的陽極相連，D3的陰極與U1的第37引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R4的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管D4的陽極相連，D4的陰極與U1的第36引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R5的左端與正5V工作電源Vrc相連,右端與指示工作方式的發光二極管D5的陽極相連，D5的陰極與U1的第35引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R6的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管D6的陽極相連，D6的陰極與U1的第34引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R7的左端與正5V工作電源V。。相連，右端與指示工作方式的發光二極管D7的陽極相連，D7的陰極與U1的第33引腳相連；狀態顯示指示燈的上拉電阻R8的左端與正5V工作電源Vrc相連,右端與指示工作方式的發光二極管D8的陽極相連，D8的陰極與U1的第2引腳相連；復位電路中電阻&的左端與正5V工作電源相連，右端與U1的第9引腳相連，復位電路中電阻Rltl的左端與復位按鍵KeyO的右端相連，復位電路中電阻Rltl的右端與U1的第9引腳相連；復位按鍵KeyO的左端接地；復位電路中電容Cf右端與U1的第9弓丨腳相連，左端接地；晶振電路中的Y1兩端分別與仏的第12引腳和第13引腳相連；晶振電路中的電容Cpl右端與U1的第12引腳相連，左端接地；晶振電路中的電各Cp2的右端與U1的弟13引腳相連，左端接地；頻率給定按鍵Key I的上端引腳與U1的第14引腳相連，下端接地；模式給定按鍵Key2的上端引腳與U1的第15引腳相連，下端接地；功率給定按鍵Key3的上端引腳與U1的第16引腳相連，下端接地；U2的第11引腳與U1的第5引腳相連；U2的第10引腳與U1的第6引腳相連；U2的第9引腳與U1的第7引腳相連；U2的第6引腳與U1的第8引腳相連；U2的第16引腳和供電電源Vrc相連；U2的第8引腳接地；U2的第3引腳與功率輸出端Vtl相連；U2的第I引腳、第2引腳和第4引腳分別與匹配電感Ltl的三個抽頭相連；匹配電感Ltl的右側電壓為Va，與等效振子Z的上端相連，等效振子的下端接地。
在圖3所示的本發明實施例的電源主電路原理結構圖中:頻率脈沖控制信號F、模式脈沖控制信號M、功率脈沖控制信號P、匹配電感切入和對應指示燈的亮滅均是通過軟件編程實現其控制；與門模式脈沖控制二極管Dm的陰極與U1的第22引腳相連，Dm的陽極和與門斬波功率控制二極管Dp的陽極均與斬波驅動三極管TS()的基極連接；與門斬波功率控制二極管Dp的陰極與U1的第4引腳相連；斬波驅動三極管基極偏流電阻Rsa的上端連接到工作電源\c端，下端分別與與門脈沖控制二極管Dm的陽極、與門斬波控制二極管Dp的陽極和斬波驅動三極管TS()的基極相連；斬波驅動三極管Tm的發射極接地，集電極與斬波驅動集電極負載電阻Rsq。下端相連；斬波驅動集電極負載電阻Rsq。的上端分別于斬波開關MOSFET器件的柵極和斬波開關MOSFET器件柵極偏流電阻Rsg下端相連；斬波開關MOSFET器件柵極偏流電阻Rsg跨接在斬波開關MOSFET器件Qse的源極和柵極之間；斬波開關MOSFET器件Qse的源極和電源\c相連，漏極分別于穩壓續流二極管的陰極和平波電感Lse相連；穩壓續流二極管Dse的陽極接地；平波電感的另一端分別接平波電容Cse的正極、自舉分壓電阻Rm上端和上臂推挽三極管Tm的集電極相連；平波電容Cse的負極接地；自舉分壓電阻Rw的下端分別與自舉分壓電阻Rffi的上端和自舉電容Ctl上端相連；自舉分壓電阻Rffi的下端分別與第一交越二極管Dsi的陽極和上臂推挽三極管Τω的基極相連；第一交越二極管Dsi的陰極與第二交越二極管Ds2的陽極相連，第二交越二極管Ds2的陰極分別于下臂推挽三極管Tffi的基極和前置功放三極管Ts3的集電極相連；上臂推挽三極管Tm的發射極分別于下臂推挽三極管Tffi的發射極、自舉電容Ctl的下端、功率反饋電阻Rtjf的上端和U2的第3引腳相連；功率反饋電阻Rtjf的下端分別與振蕩信號耦合電容C。的陽極、功率反饋分壓電阻Rtjb的上端和前置功放三極管Ts3的基極相連；功率反饋分壓電阻Rtjb的下端接地；TS3的發射極與前置功放射極電阻Rs3e上端相連，Rs3e的下端接地；下臂推挽三極管Ttj2的集電極接地；橢圓濾波第一電感L1左側、橢圓濾波第一電容C1左側和橢圓濾波第二電容C2左側均與U1的第21引腳相連；橢圓濾波第一電感L1與橢圓濾波第二電容C2并聯，橢圓濾波第一電感L1的右側分別與橢圓濾波第二電感L2的左側、橢圓濾波第三電容C3的上端和橢圓濾波第四電容C4的左側相連；震蕩耦合電容C。的陰極分別與橢圓濾波第二電感L2的右側、橢圓濾波第四電容C4的右側和橢圓濾波第五電容C5的上端相連；橢圓濾波第二電感L2與橢圓濾波第四電容C4并聯；橢圓濾波第一電容C1的下端、橢圓濾波第三電容C3的下端和橢圓濾波第五電容C5的下端均接地。
在圖4所示的本發明實施例的系統運行流程圖中:
Stl.開始，單片機I/O 口設置進行初始化；
St2.1.對頻率選擇按鍵Keyl按下狀態進行配置，讓頻率選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為I，配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為I ;如果取余之后余數為2,配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為2 ;如果取余之后余數為O,配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為3 ；
St2.2.對模式選擇按鍵Key2按下狀態進行配置，讓模式選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為1，配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為I ;如果取余之后余數為2,配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為2 ;如果取余之后余數為O，配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為3 ；
St2.3.對功率選擇按鍵Key3按下狀態進行配置，讓功率選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為1，配置功率選擇按鍵Key3按下狀態為I ;如果取余之后余數為2,配置功率選擇按鍵按下狀態Key3為2 ;如果取余之后余數為0，配置功率選擇按鍵Key3按下狀態為3 ；
St3.1.單片機對頻率選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷頻率選擇按鍵Keyl按下狀態。首先判斷頻率選擇按鍵Keyl按下狀態是否為I，如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為1，單片機控制頻率I控制信號發生同時與此頻率匹配的大諧振匹配電感切換入槽；如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態不為1，就判斷頻率選擇按鍵Keyl按下狀態是否為2，如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為2，單片機控制頻率2控制信號發生同時與此頻率匹配的中諧振匹配電感切換入槽；如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態也不為2，則頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為3，這時，單片機控制頻率3控制信號發生同時與此頻率匹配的小諧振匹配電感切換入槽；
St3.2.單片機對模式選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態。首先判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態是否為1，如果模式選擇按鍵Key2按下狀態為I，單片機控制模式I脈沖控制信號發生；如果模式選擇按鍵Key2按下狀態不為1，就判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態是否為2，如果模式選擇按鍵Key2按下狀態為2，單片機控制模式2脈沖控制信號發生；如果模式選擇按鍵Key2按下狀態也不為2，則模式選擇按鍵Key2按下狀態為3，這時，單片機控制模式3脈沖控制信號發生；
St3.3.單片機對功率選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態。首先判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態是否為1，如果功率選擇按鍵Key3按下狀態為1，單片機控制弱功率脈沖控制信號發生；如果功率選擇按鍵Key3按下狀態不為1，就判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態是否為2，如果功率選擇按鍵Key3按下狀態為2，單片機控制中功率脈沖控制信號發生；如果功率選擇按鍵Key3按下狀態也不為2，則功率選擇按鍵Key3按下狀態為3，這時，單片機控制強功率脈沖控制信號發生；
St4.由St3.1、St3.2和St3.3產生的各種控制信號組合成組合超聲波控制信號發生；
St5.由St4產生的組合超聲波控制信號作用于驅動輸出，將電能轉換成機械能作用于待處理的作用對象；
St6.驅動輸出，超聲波處理運行，等待下一步的控制操作。
權利要求
1.一種小功率高頻超聲波電源實現方法，其特征是:該系統采用軟件和硬件相結合的設計方法，超聲波電源的三種工作方式的實現及其對應指示燈的亮滅主要是由軟件編程來完成；通過對單片機進行編程產生三種頻率不同且占空比相同的方波脈沖信號，方波脈沖信號通過橢圓濾波器濾波后變成和方波基波同頻的正弦波信號，再通過對頻率選擇單按建的編程，控制不同頻率的正弦波信號的輸出和對應頻率的匹配電感的切換，同時控制對應的指示燈亮滅，來實現工作頻率的工作狀態的顯示；工作模式主要是通過編程由單片機設計定時器，來控制其I/o端口輸出，通過對模式選擇單按建進行編程來控制輸出I/O端口的高低電平的連續工作時間，同時控制對應指示燈的亮滅，來實現工作模式工作狀態的顯示；功率控制是通過編程使單片機輸出不同占空比的方波信號，通過對功率選擇單按建編程控制輸出方波的占空比實現不同功率輸出，同時控制對應的指示燈的亮滅，實現工作功率工作狀態的顯示；模式輸出控制信號、功率輸出控制信號和供電電源信號通過硬件斬波電路和開關電路形成組合控制信號，模式和功率組合控制信號再和頻率控制形成的正弦波控制信號經過耦合電路、功率推挽放大電路作用于匹配網絡，匹配網絡由換能器將電能轉化為機械能應用于作用對象； 該電源裝置三種工作方式具體實現過程為控制頻率給定的單按鍵按下第一次，頻率一的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮，同時單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通，控制對應該頻率的大諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵按下第二次，頻率二的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮同時對應頻率一的工作狀態指示燈滅，單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通，控制對應該頻率的中諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵按下第三次，頻率三的控制脈沖信號發生，對應該頻率的頻率工作狀態指示燈亮同時對應頻率二的工作狀態指示燈滅，單8通道數字控制模擬開關的一個通道導通 ，控制對應該頻率的小諧振電感切換入槽；控制頻率給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次按下時的操作過程；控制模式給定的單按鍵按下第一次，模式一的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮；控制模式給定的單按鍵按下第二次，模式二的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮同時模式一的模式工種狀態指示燈滅；控制模式給定的單按鍵按下第三次，模式三的控制脈沖信號發生，對應該模式的模式工作狀態指示燈亮同時模式二的模式工種狀態指示燈滅；控制模式給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次的操作過程；控制功率給定的單按鍵按下第一次，弱功率對應的小占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮；控制功率給定的單按鍵按下第二次，中功率對應的中占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮同時小功率的功率工作狀態指示燈滅；控制功率給定的單按鍵按下第三次，強功率對應的大占空比的控制脈沖信號發生，對應該功率的功率工作狀態指示燈亮同時中功率的功率工種狀態指示燈滅；控制功率給定的單按鍵再有按下要依次重復按下第一次、第二次和第三次的操作過程；以上頻率給定、模式給定和功率給定這三種工作方式之間互不干擾，相互獨立進行； 在電源正面操作面板上，左上角是復位開關，在復位開關右側配有復位開關狀態指示燈；左下角是電源開關，在電源開關的右側配有開關狀態指示燈；在開關按鍵的右邊位置配有頻率給定按鍵，在頻率給定按鍵上面配有三種頻率工作狀態指示燈；在頻率給定按鍵的右面配有模式給定按鍵，在模式給定按鍵上面配有三種模式工作狀態指示燈；在模式給定按鍵的右面配有功率給定按鍵，在功率給定按鍵上面配有三種功率工作狀態指示燈； 小功率高頻超聲波電源電路主要由電源開關操作電路、復位電路、晶振電路、按鍵電路、各狀態顯示指示燈電路、橢圓濾波電路、模式和功率斬波開關電路、功率放大電路和匹配網絡電路構成；電源開關電路和復位電路分別通過電源開關按鍵和復位按鍵與單片機相連接；按鍵電路一端與單片機的開關控制引腳相連另一端接地；指示燈電路中發光二級管的陰極分別與單片機對應不同的引腳相連接，陽極通過上拉電阻與電源的正端相連接；橢圓濾波電路的輸入端與單片機對應的頻率脈沖控制信號的輸出端相連，橢圓濾波電路的輸出端經耦合電容與功率放大電路相連；模式、功率斬波開關電路的與門輸入端分別與單片機的模式脈沖控制信號輸出端和功率脈沖控制信號的輸出端相連，模式、功率斬波開關電路輸出端經穩壓濾波后與功率放大電路相連；功率放大電路中的組合控制信號經匹配網絡中的換能器將電能轉換為機械能作用于應用對象。
2.根據權利要求1所述的小功率高頻超聲波電源實現方法，其特征是:軟件實現中，由于編寫程序的不同單片機引腳具體實現的功能并不是確定的，因此與外圍硬件電路的連接也是不同的；單片機中的三個定時計數器經過編程都能實現頻率脈沖控制信號的輸出、模式脈沖控制信號的輸出和功率脈沖控制信號的輸出，因此實現它們的硬件電路和單片機引腳的連接也就不唯一確定，可以有多種連接方式；同樣，按鍵電路、單8通道數字控制模擬電子開關控制引腳和指示燈電路對應的單片機引腳也不是固定不變的，只要能夠滿足該引腳的高低電平變換就可以使用。
3.根據權利要求1所述的小功率高頻超聲波電源實現方法，其特征是:由單片機產生的頻率給定脈沖信號為方波信號，方波信號經過五階低通橢圓濾波器得到與方波基波同頻的正弦波信號，此正弦波信號經過耦合電容和功率反饋、功率放大電路連接起來；由單片機產生的模式給定脈沖控制信號和功率給定脈沖控制信號分別經過與門脈沖控制二極管、與門斬波控制二極管、斬波驅動三極管和正5V工作電源控制斬波開關MOSFET器件的通斷，由此產生的模式和功率混合控制信號經穩壓、濾波平波后再經過推挽放大和功率放大電路，與頻率給定信號經濾波產生的正弦波信號組成組合控制信號，該組合控制信號經過單8通道數字控制模擬開關作用于匹配網絡，根據頻率的不同由單片機控制單8通道數字控制模擬開關通道的導通，來切換匹配電感的接入，最后由換能執行器件將組合控制信號的電信號轉化為機械能作用于待處理的作用對象。
4.根據權利要求1所述的小功率高頻超聲波電源實現方法，其特征是:頻率給定控制信號實施硬件電路中，橢圓濾波器的濾波第一電感L1的左端、橢圓濾波第一電容C1的左端和橢圓濾波第二電容C2的左端均與單片機的頻率輸出引腳相連；橢圓濾波第一電感L1與橢圓濾波第二電容C2并聯，橢圓濾波電感L1的右端分別與橢圓濾波第二電感L2的左端、橢圓濾波第三電容C3的上端和橢圓濾波第四電容C4的左端相連；震蕩耦合電容C。的陰極分別與橢圓濾波第二電感L2的右端、橢圓濾波第四電容C4的右端和橢圓濾波第五電容C5的上端相連；橢圓濾波第二電感L2與橢圓濾波第四電容C4并聯；橢圓濾波第一電容C1的下端、橢圓濾波第三電容C3的下端和橢圓濾波第五電容C5的下端均接地。
5.根據權利要求1所述的小功率高頻超聲波電源實現方法，其特征是:該裝置具體系統運行流程為: Stl.開始，單片機I/O 口設置進行初始化 ；St2.1.對頻率選擇按鍵Keyl按下狀態進行配置，讓頻率選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為I，配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為I ;如果取余之后余數為2,配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為2 ;如果取余之后余數為0,配置頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為.3 ； St2.2.對模式選擇按鍵Key2按下狀態進行配置，讓模式選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為1，配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為I ;如果取余之后余數為2，配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為2 ;如果取余之后余數為0,配置模式選擇按鍵Key2按下狀態為.3 ； St2.3.對功率選擇按鍵Key3按下狀態進行配置，讓功率選擇按鍵按下次數對3進行取余，如果余數為1，配置功率選擇按鍵Key3按下狀態為I ;如果取余之后余數為2,配置功率選擇按鍵按下狀態Key3為2 ;如果取余之后余數為0，配置功率選擇按鍵Key3按下狀態為.3 ； St3.1.單片機對頻率選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷頻率選擇按鍵Keyl按下狀態。首先判斷頻率選擇按鍵Keyl按下狀態是否為1，如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為1，單片機控制頻率I控制信號發生同時與此頻率匹配的大諧振匹配電感切換入槽；如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態不為1，就判斷頻率選擇按鍵Key I按下狀態是否為2，如果頻率選擇按鍵Key I按下狀態為2，單片機控制頻率2控制信號發生同時與此頻率匹配的中諧振匹配電感切換入槽；如果頻率選擇按鍵Keyl按下狀態也不為2，則頻率選擇按鍵Keyl按下狀態為3，這時，單片機控制頻率3控制信號發生同時與此頻率匹配的小諧振匹配電感切換入槽； St3.2.單片機對模式選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態。首先判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態是否為1，如果模式選擇按鍵Key2按下狀態為1，單片機控制模式I脈沖控制信號發生；如果模式選擇按鍵Key2按下狀態不為1，就判斷模式選擇按鍵Key2按下狀態是否為2，如果模式選擇按鍵Key2按下狀態為2，單片機控制模式2脈沖控制信號發生；如果模式選擇按鍵Key2按下狀態也不為2，則模式選擇按鍵Key2按下狀態為3，這時，單片機控制模式3脈沖控制信號發生； St3.3.單片機對功率選擇按鍵按下狀態進行掃描，看是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態。首先判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態是否為1，如果功率選擇按鍵Key3按下狀態為1，單片機控制弱功率脈沖控制信號發生；如果功率選擇按鍵Key3按下狀態不為1，就判斷功率選擇按鍵Key3按下狀態是否為2，如果功率選擇按鍵Key3按下狀態為2，單片機控制中功率脈沖控制信號發生；如果功率選擇按鍵Key3按下狀態也不為2，則功率選擇按鍵Key3按下狀態為3，這時，單片機控制強功率脈沖控制信號發生； St4.由St3.l、St3.2和St3.3產生的各種控制信號組合成組合超聲波控制信號發生； St5.由St4產生的組合超聲波控制信號作用于驅動輸出，將電能轉換成機械能作用于待處理的作用對象； St6.驅動輸出，超聲波處理運行，等待下一步的控制操作。
全文摘要
一種小功率高頻超聲波電源裝置及其實現方法，該裝置通過軟硬件結合的實驗方式，硬件部分主要由電源操作面板、超聲波電源電路、超聲振子及其匹配電感構成。操作面板結構配有電源開關按鍵及其指示燈、復位按鍵及其指示燈、頻率選擇按鍵及其指示燈、模式選擇按鍵及其指示燈和功率選擇按鍵及其指示燈；電源電路主要由電源開關電路、復位電路、晶振電路、按鍵電路、各狀態顯示指示燈電路、橢圓濾波電路、模式和功率斬波開關電路、功率放大電路及匹配網絡電路構成。該裝置的頻率發生模塊、模式設定模塊、功率選擇模塊、匹配電感切換控制模塊和指示燈的控制模塊均是由軟件編程實現。
文檔編號G05B19/042GK103207576SQ201210009690
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者閆軍旺, 其他發明人請求不公開姓名 申請人:江南大學