专利名称：一种小功率高频超声波电源实现方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生小功率高频超声波的电源装置及其实现方法。
背景技术：
现有的超声波生物处理方式为:通过超声波电源设备产生连续的某一大功率和频率的超声波，然后以该功率和该频率的超声波作用于处理对象，然而，这种固定位置的处理方式不能满足随机移动、机动处理和小功率高频率等特定实验应用的要求；另一方面是现有的超声波设备比较笨重，使用不灵活，功耗高，为实验带来诸多不便。鉴于此，为解决这些矛盾有必要研发一种新的高效的小功率高频超声波电源装置，能同时控制作用时间、功率和频率，以提高生产过程中的经济效益。该系统采用5V直流电源供电，能够减少传统超声波电源在整流电路中的能量损耗和逆变电路的开关损耗，适应当今社会节能环保高效的需求；同时该系统能够提供多种不同组合的超声波控制信号输出，为系统提供了多种工作方式，能够减少实验中仪器使用的数量并且降低了投资成本；本系统具有较小的体积，应用更灵活，主要应用于科研院所，实验台等对应用对象环境要求比较高的场所，将具有较高的科研与实用价值。
发明内容
为弥补现有超声波电源设备在实际专业领域应用中的不足，本发明提供了一种小功率高频超声波电源装置及其实现方法。该装置通过软硬件结合的实验方式，硬件部分主要由电源操作面板、超声波电源电路、超声振子及其匹配电感构成。操作面板结构配有电源开关按键及其指示灯、复位按键及其指示灯、频率选择按键及其指示灯、模式选择按键及其指示灯和功率选择按键及其指示灯；电源电路主要由电源开关电路、复位电路、晶振电路、按键电路、各状态显示指示灯电路、椭圆滤波电路、模式和功率斩波开关电路、功率放大电路及匹配网络电路构成。该装置的频率发生模块、模式设定模块、功率选择模块、匹配电感切换控制模块和指示灯的控制模块均是由软件编程实现。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:装置由电源操作面板、超声波电源电路、超声振子及其匹配电感构成。根据应用对象的实际需求，该装置的工作频率、工作模式和工作功率能够组合成不同的工作状态对作用对象进行处理。超声波电源的三种工作方式的实现及其对应指示灯的亮灭主要是通过软件编程来完成。通过对单片机进行编程产生三种频率不同且占空比相同的方波脉冲信号，方波脉冲信号通过椭圆滤波器滤波后变成和方波基波同频的正弦波信号，再通过对频率选择单按建的编程，控制不同频率的正弦波信号的输出和对应频率的匹配电感的切换，同时控制对应的指示灯亮灭，来实现工作频率的工作状态的显示；工作模式主要是通过编程由单片机设计定时器，来控制其I/o端口输出，通过对模式选择单按建进行编程来控制输出I/O端口的高低电平的连续工作时间，同时控制对应指示灯的亮灭，来实现工作模式工作状态的显示；功率控制是通过编程使其输出不同占空比的方波信号，通过对功率选择单按建编程控制输出方波的占空比实现不同功率输出，同时控制对应的指示灯的亮灭，实现工作功率状态的显示。模式输出控制信号、功率输出控制信号和供电电源信号通过硬件斩波电路和开关电路形成组合控制信号，模式和功率组合控制信号再和频率控制形成的正弦波控制信号经过耦合电路、功率推挽放大电路作用于匹配网络，匹配网络由换能器将电能转化为机械能应用于作用对象。
该电源装置三种工作方式具体实现过程为控制频率给定的单按键按下第一次，频率一的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮，同时单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通，控制对应该频率的大谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键按下第二次，频率二的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮同时对应频率一的工作状态指示灯灭，单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通，控制对应该频率的中谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键按下第三次，频率三的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮同时对应频率二的工作状态指示灯灭，单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通，控制对应该频率的小谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次按下时的操作过程；控制模式给定的单按键按下第一次，模式一的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮；控制模式给定的单按键按下第二次，模式二的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮同时模式一的模式工种状态指示灯灭；控制模式给定的单按键按下第三次，模式三的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮同时模式二的模式工种状态指示灯灭；控制模式给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次的操作过程；控制功率给定的单按键按下第一次，弱功率对应的小占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮；控制功率给定的单按键按下第二次，中功率对应的中占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮同时小功率的功率工作状态指示灯灭；控制功率给定的单按键按下第三次，强功率对应的大占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮同时中功率的功率工种状态指示灯灭；控制功率给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次的操作过程；以上频率给定、模式给定和功率给定这三种工作方式之间互不干扰，相互独立进行。
在电源正面操作面板上，左上角是复位开关，在复位开关右侧配有复位开关状态指示灯；电源操作面板的左下角是电源开关，在电源开关的右侧配有开关状态指示灯；在电源开关状态指示灯的右边位置配有频率给定按键，在频率给定按键上面配有三种频率工作状态指示灯；在频率给定按键的右面配有模式给定按键，在模式给定按键上面配有三种模式工作状态指示灯；在模式给定按键的右面配有功率给定按键，在功率给定按键上面配有三种功率工作状态指示灯。
小功率高频超声波电源电路主要由电源开关操作电路、复位电路、晶振电路、按键电路、各状态显示指示灯电路、椭圆滤波电路、模式和功率斩波开关电路、功率放大电路和匹配网络电路构成。电源开关电路和复位电路分别通过电源开关按键和复位按键与单片机相连接；按键电路一端与单片机的开关控制引脚相连另一端接地；指示灯电路中发光二级管的阴极分别与单片机对应不同的引脚相连接，阳极通过上拉电阻与电源的正端相连接；椭圆滤波电路的输入端与单片机对应的频率脉冲控制信号的输出端相连，椭圆滤波电路的输出端经耦合电容与功率放大电路相连；模式、功率斩波开关电路的与门输入端分别与单片机的模式脉冲控制信号输出端和功率脉冲控制信号的输出端相连，模式、功率斩波开关电路输出端经稳压滤波后与功率放大电路相连；功率放大电路中的组合控制信号经匹配网络中的换能器将电能转换为机械能作用于应用对象。
本发明的有益效果是:是一种低功耗、便携式、易操作、多种工作方式、适用于科学研究场所和实验平台的超声波电源装置。其通过软硬件相结合的设计方法，机体及电路结构简单，易于批量生产；其高频小功率的设计弥补了原有超声波电源存在的不足。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例一小功率高频超声波电源的结构外观正面配置示意图。
图2是本发明实施例一小功率高频超声波电源的系统框图。
图3是本发明实施例的一种电源主电路原理结构图。
图4是本发明实施例的系统运行流程图。
在图1和图3中:1.超声波电源机壳正面操作面板结构，2.复位开关按键，3.复位指示灯，4.供电电源开关按键，5.供电电源指示灯，6.频率给定操作按键，7.频率给定档指示灯8.模式给定操作按键，9.模式给定档指示灯，10.功率给定操作按键，11.功率给定档指示灯，12.超声波振子。
在图3中:V。。为正5V直流工作电源，Rtl为发光二极管Dtl的上拉电阻，&为发光二极管D1的上拉电阻，R2为发光二极管D2的上拉电阻，R3为发光二极管D3的上拉电阻，R4为发光二极管D4的上拉电阻，R5为发光二极管D5的上拉电阻，R6为发光二极管D6的上拉电阻，R7为发光二极管D7的上拉电阻，R8为发光二极管D8的上拉电阻；％为指示工作方式的第一个发光二极管，D1为指示工作方式的第二个发光二极管，D2为指示工作方式的第三个发光二极管，D3为指示工作方式的第四个发光二极管，D4为指示工作方式的第五个发光二极管，D5为指示工作方式的第六个发光二极管，D6为指示工作方式的第七个发光二极管，D7为指示工作方式的第八个发光二极管，D8为指示工作方式的第九个发光二极管；R9为复位电路大电阻，R1。为复位电路小电阻；KeyO为复位操作单按键，Cf为复位电路电容J1为外部晶振，Cpl为晶振电路上侧晶 振起振电容，Cp2为晶振电路下侧晶振起振电容；Keyl为频率给定控制单按键，Key2为模式给定控制单按键，Key3为功率给定控制单按键;M为模式脉冲控制信号，P为功率脉冲控制信号，F为频率脉冲控制信号，Dm是与门脉冲控制二极管，Dp为与门斩波控制二极管，Rsqb为斩波驱动三极管基极偏流电阻，Tso为斩波驱动三极管，Rsg为斩波开关MOSFET器件栅极偏流电阻，Rs0c为斩波驱动集电极负载电阻，Qse为斩波开关MOSFET器件，Dse为稳压续流二极管，Lse为平波电感，Cse为平波电容^为自举分压电阻，R02为自举电阻,Ttjl为上臂推挽三极管,C0为自举电容,Dsi为第一交越二极管,Ds2为第二交越二极管，Rof为功率反馈电阻，Rob为功率反馈分压电阻，Ts3为前置功率放大三极管，Rs3e为前置功放射极电阻，T02为下臂推挽三极管，V0为功率输出接线端，V为电感接线端，L0为谐振电感，Z为振子等效阻抗；U为五阶椭圆低通滤波器的第一个滤波电感，L2为五阶椭圆低通滤波器的第二个滤波电感，C1为五阶椭圆低通滤波器第一滤波电容，C2为五阶椭圆低通滤波器第二滤波电容，C3为五阶椭圆低通滤波器第三滤波电容，C4为五阶椭圆低通滤波器第四滤波电容，C5为五阶椭圆低通滤波器第五滤波电容，Cc为振荡信号稱合电容。
在图3中:U1为ATmegal6单片机，U2为单8通道数字控制模拟电子开关⑶4051，U1的第40引脚为发光二级管Dtl的控制引脚PAOd1的第39引脚为发光二级管D1的控制引脚PA1，U1的第38引脚为发光二级管D2的控制引脚PA2，U1的第37引脚为发光二级管D3的控制引脚PA3，Ui的第36引脚为发光二级管D4的控制引脚PAlU1的第35引脚为发光二级管D5的控制引脚PA5，U1的第34引脚为发光二级管D6的控制引脚PA6，U1的第33引脚为发光二级管D7的控制引脚PA7，U1的第2引脚为发光二级管D8的控制引脚PBl 的第9引脚为复位引脚.Λ的第13引脚为外部晶振连接引脚XTAL1，U1的第12引脚为外部晶振连接引脚XTAL2 的第14引脚为频率给定按键控制引脚TOhU1的第15引脚为模式给定按键控制引脚I3DLU1的第16引脚为功率给定按键控制引脚H)2 的第11引脚为单片机接地引脚GNDd1的第10引脚为单片机电源供电引脚V。。的第5引脚为U2的地址端A的控制引脚PBlU1的第6引脚为U2的地址端B的控制引脚PB5，Ui的第7引脚为U2的地址端C的控制引脚PB6，Ui的第8引脚为U2的禁止端INH的控制引脚PB7 的第4引脚为功率脉冲控制信号输出引脚OCOd1的第22引脚为模式脉冲控制信号输出引脚PCOd1的第21引脚为频率脉冲控制信号输出引脚0C2 ；U2的第16引脚为电源输入引脚VDD，U2的第11引脚为地址端控制信号输入引脚A，U2的第10引脚为地址端控制信号输入引脚B，U2的第9引脚为地址端控制信号输入引脚C，U2的第6引脚为禁止端控制信号输入引脚INH，U2的第8引脚为数字信号接地端Vss，U2的第I引脚为开关的信号输出端引脚0UT1，U2的第2引脚为开关的信号输出端引脚0UT2，U2的第4引脚为开关的信号输出端引脚0UT3，U2的第3引脚为开关的公共输入端引脚IN。
具体实施方式
该电源装置采用软件和硬件相结合的设计方法，通过对ATmegaie单片机编程用三个单按键控制频率给定、模式给定和功率给定、对应匹配电感接入以及对应的指示灯亮灭。频率给定具体的实现过程是用单片机编程输出需要频率的方波信号，同时根据接入频率的不同，利用单片机编程来控制单8通道数字控制模拟电子开关，使开关对应的匹配电感的通道导通，接入对应频率的匹配电感，同时对应频率的工作状态指示灯亮；模式给定的具体实现过程是利用单片机编程设计相应工作模式的定时器，定时到设定的模式后让I/O口电平取反，从而使其在对应的模式上工作/停止交替进行，同时对应模式的工作状态指示灯亮；功率给定具体软件实现是通过对ATmegaie单片机编程来控制输出不同占空比的方波信号，使不同功率对应不同的占空比，同时对应功率工作状态的指示灯亮。通过软件实现的频率给定、模式给定和功率给定，通过相应的硬件电路使其最终输出不同频率、模式和功率组合的小功率高频超声波控制信号来驱动超声振子振动，超声振子把电能转换为机械能作用于不同的作用对象，以满足不同场合对超声波电源的需求。
在图1所示的本发明实施例一小功率高频超声波电源结构外观正面配置示意图中:在超声波电源机壳正面操作面板I的左侧从上到下依次装配复位开关按键2和供电电源开关按键4，在超声波电源机壳正面操作面板I的供电电源开关4的右侧，从左到右依次为频率给定开关按键6、模式给定按键8和功率给定按键10 ;在超声波电源机壳正面操作面板I的左上角复位开关按键2的右侧，配有复位开关指示灯3 ;在超声波电源机壳正面操作面板I的左下角电源开关4的右侧配有供电电源开关指示灯5 ;在超声波电源机壳正面操作面板I右端的功率按键10的上侧配有功率档指示灯11 ;在超声波电源机壳正面操作面板I的功率给定按键10和功率档指示灯11的左侧模式给定按键8的上端配有模式档指示灯9 ;在超声波电源机壳正面操作面板I的复位开关指示灯3、供电电源开关指示灯5和模式给定开关8及其模式档指示灯9中间的频率给定按键6的上端，装配有频率档指示灯7。
在图2所示的本发明实施例一小功率高频超声波电源的系统框图中:频率给定、模式给定和功率给定控制信号分别通过单按键向ATmegal6单片机的引脚发送高低电平控制信号，ATmegal6单片机经过读取引脚的高低电平作出响应，分别输出相同占空比的不同频率方波脉冲控制信号、不同工作时间模式的脉冲控制信号和不同占空比的功率方波脉冲控制信号，并且对应的工作方式指示灯亮灭；频率方波脉冲信号经过椭圆滤波变换成和方波基频同频的正弦波控制信号，模式脉冲控制信号和功率脉冲控制信号分别经过二极管斩波和MOSFET开关管结合组成开关电路，正弦波控制信号和模式、功率控制信号经过耦合和功率放大电路作用于匹配网络，匹配网络最后经过换能执行将电能转化为机械能作用于被处理的对象。
在图3所示的本发明实施例的电源主电路原理结构图中:状态显示指示灯的上拉电阻Rtl的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管Dtl的阳极相连，Dtl的阴极与U1的第40引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R1的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管D1的阳极相连，D1的阴极与U1的第39引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R2的左端与正5V工作电源Vrc相连,右端与指示工作方式的发光二极管D2的阳极相连，D2的阴极与U 1的第38引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R3的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管D3的阳极相连，D3的阴极与U1的第37引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R4的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管D4的阳极相连，D4的阴极与U1的第36引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R5的左端与正5V工作电源Vrc相连,右端与指示工作方式的发光二极管D5的阳极相连，D5的阴极与U1的第35引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R6的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管D6的阳极相连，D6的阴极与U1的第34引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R7的左端与正5V工作电源V。。相连，右端与指示工作方式的发光二极管D7的阳极相连，D7的阴极与U1的第33引脚相连；状态显示指示灯的上拉电阻R8的左端与正5V工作电源Vrc相连,右端与指示工作方式的发光二极管D8的阳极相连，D8的阴极与U1的第2引脚相连；复位电路中电阻&的左端与正5V工作电源相连，右端与U1的第9引脚相连，复位电路中电阻Rltl的左端与复位按键KeyO的右端相连，复位电路中电阻Rltl的右端与U1的第9引脚相连；复位按键KeyO的左端接地；复位电路中电容Cf右端与U1的第9弓丨脚相连，左端接地；晶振电路中的Y1两端分别与仏的第12引脚和第13引脚相连；晶振电路中的电容Cpl右端与U1的第12引脚相连，左端接地；晶振电路中的电各Cp2的右端与U1的弟13引脚相连，左端接地；频率给定按键Key I的上端引脚与U1的第14引脚相连，下端接地；模式给定按键Key2的上端引脚与U1的第15引脚相连，下端接地；功率给定按键Key3的上端引脚与U1的第16引脚相连，下端接地；U2的第11引脚与U1的第5引脚相连；U2的第10引脚与U1的第6引脚相连；U2的第9引脚与U1的第7引脚相连；U2的第6引脚与U1的第8引脚相连；U2的第16引脚和供电电源Vrc相连；U2的第8引脚接地；U2的第3引脚与功率输出端Vtl相连；U2的第I引脚、第2引脚和第4引脚分别与匹配电感Ltl的三个抽头相连；匹配电感Ltl的右侧电压为Va，与等效振子Z的上端相连，等效振子的下端接地。
在图3所示的本发明实施例的电源主电路原理结构图中:频率脉冲控制信号F、模式脉冲控制信号M、功率脉冲控制信号P、匹配电感切入和对应指示灯的亮灭均是通过软件编程实现其控制；与门模式脉冲控制二极管Dm的阴极与U1的第22引脚相连，Dm的阳极和与门斩波功率控制二极管Dp的阳极均与斩波驱动三极管TS()的基极连接；与门斩波功率控制二极管Dp的阴极与U1的第4引脚相连；斩波驱动三极管基极偏流电阻Rsa的上端连接到工作电源\c端，下端分别与与门脉冲控制二极管Dm的阳极、与门斩波控制二极管Dp的阳极和斩波驱动三极管TS()的基极相连；斩波驱动三极管Tm的发射极接地，集电极与斩波驱动集电极负载电阻Rsq。下端相连；斩波驱动集电极负载电阻Rsq。的上端分别于斩波开关MOSFET器件的栅极和斩波开关MOSFET器件栅极偏流电阻Rsg下端相连；斩波开关MOSFET器件栅极偏流电阻Rsg跨接在斩波开关MOSFET器件Qse的源极和栅极之间；斩波开关MOSFET器件Qse的源极和电源\c相连，漏极分别于稳压续流二极管的阴极和平波电感Lse相连；稳压续流二极管Dse的阳极接地；平波电感的另一端分别接平波电容Cse的正极、自举分压电阻Rm上端和上臂推挽三极管Tm的集电极相连；平波电容Cse的负极接地；自举分压电阻Rw的下端分别与自举分压电阻Rffi的上端和自举电容Ctl上端相连；自举分压电阻Rffi的下端分别与第一交越二极管Dsi的阳极和上臂推挽三极管Τω的基极相连；第一交越二极管Dsi的阴极与第二交越二极管Ds2的阳极相连，第二交越二极管Ds2的阴极分别于下臂推挽三极管Tffi的基极和前置功放三极管Ts3的集电极相连；上臂推挽三极管Tm的发射极分别于下臂推挽三极管Tffi的发射极、自举电容Ctl的下端、功率反馈电阻Rtjf的上端和U2的第3引脚相连；功率反馈电阻Rtjf的下端分别与振荡信号耦合电容C。的阳极、功率反馈分压电阻Rtjb的上端和前置功放三极管Ts3的基极相连；功率反馈分压电阻Rtjb的下端接地；TS3的发射极与前置功放射极电阻Rs3e上端相连，Rs3e的下端接地；下臂推挽三极管Ttj2的集电极接地；椭圆滤波第一电感L1左侧、椭圆滤波第一电容C1左侧和椭圆滤波第二电容C2左侧均与U1的第21引脚相连；椭圆滤波第一电感L1与椭圆滤波第二电容C2并联，椭圆滤波第一电感L1的右侧分别与椭圆滤波第二电感L2的左侧、椭圆滤波第三电容C3的上端和椭圆滤波第四电容C4的左侧相连；震荡耦合电容C。的阴极分别与椭圆滤波第二电感L2的右侧、椭圆滤波第四电容C4的右侧和椭圆滤波第五电容C5的上端相连；椭圆滤波第二电感L2与椭圆滤波第四电容C4并联；椭圆滤波第一电容C1的下端、椭圆滤波第三电容C3的下端和椭圆滤波第五电容C5的下端均接地。
在图4所示的本发明实施例的系统运行流程图中:
Stl.开始，单片机I/O 口设置进行初始化；
St2.1.对频率选择按键Keyl按下状态进行配置，让频率选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为I，配置频率选择按键Keyl按下状态为I ;如果取余之后余数为2,配置频率选择按键Keyl按下状态为2 ;如果取余之后余数为O,配置频率选择按键Keyl按下状态为3 ；
St2.2.对模式选择按键Key2按下状态进行配置，让模式选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为1，配置模式选择按键Key2按下状态为I ;如果取余之后余数为2,配置模式选择按键Key2按下状态为2 ;如果取余之后余数为O，配置模式选择按键Key2按下状态为3 ；
St2.3.对功率选择按键Key3按下状态进行配置，让功率选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为1，配置功率选择按键Key3按下状态为I ;如果取余之后余数为2,配置功率选择按键按下状态Key3为2 ;如果取余之后余数为0，配置功率选择按键Key3按下状态为3 ；
St3.1.单片机对频率选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断频率选择按键Keyl按下状态。首先判断频率选择按键Keyl按下状态是否为I，如果频率选择按键Keyl按下状态为1，单片机控制频率I控制信号发生同时与此频率匹配的大谐振匹配电感切换入槽；如果频率选择按键Keyl按下状态不为1，就判断频率选择按键Keyl按下状态是否为2，如果频率选择按键Keyl按下状态为2，单片机控制频率2控制信号发生同时与此频率匹配的中谐振匹配电感切换入槽；如果频率选择按键Keyl按下状态也不为2，则频率选择按键Keyl按下状态为3，这时，单片机控制频率3控制信号发生同时与此频率匹配的小谐振匹配电感切换入槽；
St3.2.单片机对模式选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断模式选择按键Key2按下状态。首先判断模式选择按键Key2按下状态是否为1，如果模式选择按键Key2按下状态为I，单片机控制模式I脉冲控制信号发生；如果模式选择按键Key2按下状态不为1，就判断模式选择按键Key2按下状态是否为2，如果模式选择按键Key2按下状态为2，单片机控制模式2脉冲控制信号发生；如果模式选择按键Key2按下状态也不为2，则模式选择按键Key2按下状态为3，这时，单片机控制模式3脉冲控制信号发生；
St3.3.单片机对功率选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断功率选择按键Key3按下状态。首先判断功率选择按键Key3按下状态是否为1，如果功率选择按键Key3按下状态为1，单片机控制弱功率脉冲控制信号发生；如果功率选择按键Key3按下状态不为1，就判断功率选择按键Key3按下状态是否为2，如果功率选择按键Key3按下状态为2，单片机控制中功率脉冲控制信号发生；如果功率选择按键Key3按下状态也不为2，则功率选择按键Key3按下状态为3，这时，单片机控制强功率脉冲控制信号发生；
St4.由St3.1、St3.2和St3.3产生的各种控制信号组合成组合超声波控制信号发生；
St5.由St4产生的组合超声波控制信号作用于驱动输出，将电能转换成机械能作用于待处理的作用对象；
St6.驱动输出，超声波处理运行，等待下一步的控制操作。
权利要求
1.一种小功率高频超声波电源实现方法，其特征是:该系统采用软件和硬件相结合的设计方法，超声波电源的三种工作方式的实现及其对应指示灯的亮灭主要是由软件编程来完成；通过对单片机进行编程产生三种频率不同且占空比相同的方波脉冲信号，方波脉冲信号通过椭圆滤波器滤波后变成和方波基波同频的正弦波信号，再通过对频率选择单按建的编程，控制不同频率的正弦波信号的输出和对应频率的匹配电感的切换，同时控制对应的指示灯亮灭，来实现工作频率的工作状态的显示；工作模式主要是通过编程由单片机设计定时器，来控制其I/o端口输出，通过对模式选择单按建进行编程来控制输出I/O端口的高低电平的连续工作时间，同时控制对应指示灯的亮灭，来实现工作模式工作状态的显示；功率控制是通过编程使单片机输出不同占空比的方波信号，通过对功率选择单按建编程控制输出方波的占空比实现不同功率输出，同时控制对应的指示灯的亮灭，实现工作功率工作状态的显示；模式输出控制信号、功率输出控制信号和供电电源信号通过硬件斩波电路和开关电路形成组合控制信号，模式和功率组合控制信号再和频率控制形成的正弦波控制信号经过耦合电路、功率推挽放大电路作用于匹配网络，匹配网络由换能器将电能转化为机械能应用于作用对象； 该电源装置三种工作方式具体实现过程为控制频率给定的单按键按下第一次，频率一的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮，同时单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通，控制对应该频率的大谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键按下第二次，频率二的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮同时对应频率一的工作状态指示灯灭，单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通，控制对应该频率的中谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键按下第三次，频率三的控制脉冲信号发生，对应该频率的频率工作状态指示灯亮同时对应频率二的工作状态指示灯灭，单8通道数字控制模拟开关的一个通道导通 ，控制对应该频率的小谐振电感切换入槽；控制频率给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次按下时的操作过程；控制模式给定的单按键按下第一次，模式一的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮；控制模式给定的单按键按下第二次，模式二的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮同时模式一的模式工种状态指示灯灭；控制模式给定的单按键按下第三次，模式三的控制脉冲信号发生，对应该模式的模式工作状态指示灯亮同时模式二的模式工种状态指示灯灭；控制模式给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次的操作过程；控制功率给定的单按键按下第一次，弱功率对应的小占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮；控制功率给定的单按键按下第二次，中功率对应的中占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮同时小功率的功率工作状态指示灯灭；控制功率给定的单按键按下第三次，强功率对应的大占空比的控制脉冲信号发生，对应该功率的功率工作状态指示灯亮同时中功率的功率工种状态指示灯灭；控制功率给定的单按键再有按下要依次重复按下第一次、第二次和第三次的操作过程；以上频率给定、模式给定和功率给定这三种工作方式之间互不干扰，相互独立进行； 在电源正面操作面板上，左上角是复位开关，在复位开关右侧配有复位开关状态指示灯；左下角是电源开关，在电源开关的右侧配有开关状态指示灯；在开关按键的右边位置配有频率给定按键，在频率给定按键上面配有三种频率工作状态指示灯；在频率给定按键的右面配有模式给定按键，在模式给定按键上面配有三种模式工作状态指示灯；在模式给定按键的右面配有功率给定按键，在功率给定按键上面配有三种功率工作状态指示灯； 小功率高频超声波电源电路主要由电源开关操作电路、复位电路、晶振电路、按键电路、各状态显示指示灯电路、椭圆滤波电路、模式和功率斩波开关电路、功率放大电路和匹配网络电路构成；电源开关电路和复位电路分别通过电源开关按键和复位按键与单片机相连接；按键电路一端与单片机的开关控制引脚相连另一端接地；指示灯电路中发光二级管的阴极分别与单片机对应不同的引脚相连接，阳极通过上拉电阻与电源的正端相连接；椭圆滤波电路的输入端与单片机对应的频率脉冲控制信号的输出端相连，椭圆滤波电路的输出端经耦合电容与功率放大电路相连；模式、功率斩波开关电路的与门输入端分别与单片机的模式脉冲控制信号输出端和功率脉冲控制信号的输出端相连，模式、功率斩波开关电路输出端经稳压滤波后与功率放大电路相连；功率放大电路中的组合控制信号经匹配网络中的换能器将电能转换为机械能作用于应用对象。
2.根据权利要求1所述的小功率高频超声波电源实现方法，其特征是:软件实现中，由于编写程序的不同单片机引脚具体实现的功能并不是确定的，因此与外围硬件电路的连接也是不同的；单片机中的三个定时计数器经过编程都能实现频率脉冲控制信号的输出、模式脉冲控制信号的输出和功率脉冲控制信号的输出，因此实现它们的硬件电路和单片机引脚的连接也就不唯一确定，可以有多种连接方式；同样，按键电路、单8通道数字控制模拟电子开关控制引脚和指示灯电路对应的单片机引脚也不是固定不变的，只要能够满足该引脚的高低电平变换就可以使用。
3.根据权利要求1所述的小功率高频超声波电源实现方法，其特征是:由单片机产生的频率给定脉冲信号为方波信号，方波信号经过五阶低通椭圆滤波器得到与方波基波同频的正弦波信号，此正弦波信号经过耦合电容和功率反馈、功率放大电路连接起来；由单片机产生的模式给定脉冲控制信号和功率给定脉冲控制信号分别经过与门脉冲控制二极管、与门斩波控制二极管、斩波驱动三极管和正5V工作电源控制斩波开关MOSFET器件的通断，由此产生的模式和功率混合控制信号经稳压、滤波平波后再经过推挽放大和功率放大电路，与频率给定信号经滤波产生的正弦波信号组成组合控制信号，该组合控制信号经过单8通道数字控制模拟开关作用于匹配网络，根据频率的不同由单片机控制单8通道数字控制模拟开关通道的导通，来切换匹配电感的接入，最后由换能执行器件将组合控制信号的电信号转化为机械能作用于待处理的作用对象。
4.根据权利要求1所述的小功率高频超声波电源实现方法，其特征是:频率给定控制信号实施硬件电路中，椭圆滤波器的滤波第一电感L1的左端、椭圆滤波第一电容C1的左端和椭圆滤波第二电容C2的左端均与单片机的频率输出引脚相连；椭圆滤波第一电感L1与椭圆滤波第二电容C2并联，椭圆滤波电感L1的右端分别与椭圆滤波第二电感L2的左端、椭圆滤波第三电容C3的上端和椭圆滤波第四电容C4的左端相连；震荡耦合电容C。的阴极分别与椭圆滤波第二电感L2的右端、椭圆滤波第四电容C4的右端和椭圆滤波第五电容C5的上端相连；椭圆滤波第二电感L2与椭圆滤波第四电容C4并联；椭圆滤波第一电容C1的下端、椭圆滤波第三电容C3的下端和椭圆滤波第五电容C5的下端均接地。
5.根据权利要求1所述的小功率高频超声波电源实现方法，其特征是:该装置具体系统运行流程为: Stl.开始，单片机I/O 口设置进行初始化 ；St2.1.对频率选择按键Keyl按下状态进行配置，让频率选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为I，配置频率选择按键Keyl按下状态为I ;如果取余之后余数为2,配置频率选择按键Keyl按下状态为2 ;如果取余之后余数为0,配置频率选择按键Keyl按下状态为.3 ； St2.2.对模式选择按键Key2按下状态进行配置，让模式选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为1，配置模式选择按键Key2按下状态为I ;如果取余之后余数为2，配置模式选择按键Key2按下状态为2 ;如果取余之后余数为0,配置模式选择按键Key2按下状态为.3 ； St2.3.对功率选择按键Key3按下状态进行配置，让功率选择按键按下次数对3进行取余，如果余数为1，配置功率选择按键Key3按下状态为I ;如果取余之后余数为2,配置功率选择按键按下状态Key3为2 ;如果取余之后余数为0，配置功率选择按键Key3按下状态为.3 ； St3.1.单片机对频率选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断频率选择按键Keyl按下状态。首先判断频率选择按键Keyl按下状态是否为1，如果频率选择按键Keyl按下状态为1，单片机控制频率I控制信号发生同时与此频率匹配的大谐振匹配电感切换入槽；如果频率选择按键Keyl按下状态不为1，就判断频率选择按键Key I按下状态是否为2，如果频率选择按键Key I按下状态为2，单片机控制频率2控制信号发生同时与此频率匹配的中谐振匹配电感切换入槽；如果频率选择按键Keyl按下状态也不为2，则频率选择按键Keyl按下状态为3，这时，单片机控制频率3控制信号发生同时与此频率匹配的小谐振匹配电感切换入槽； St3.2.单片机对模式选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断模式选择按键Key2按下状态。首先判断模式选择按键Key2按下状态是否为1，如果模式选择按键Key2按下状态为1，单片机控制模式I脉冲控制信号发生；如果模式选择按键Key2按下状态不为1，就判断模式选择按键Key2按下状态是否为2，如果模式选择按键Key2按下状态为2，单片机控制模式2脉冲控制信号发生；如果模式选择按键Key2按下状态也不为2，则模式选择按键Key2按下状态为3，这时，单片机控制模式3脉冲控制信号发生； St3.3.单片机对功率选择按键按下状态进行扫描，看是否有按键按下，如果有按键按下，判断功率选择按键Key3按下状态。首先判断功率选择按键Key3按下状态是否为1，如果功率选择按键Key3按下状态为1，单片机控制弱功率脉冲控制信号发生；如果功率选择按键Key3按下状态不为1，就判断功率选择按键Key3按下状态是否为2，如果功率选择按键Key3按下状态为2，单片机控制中功率脉冲控制信号发生；如果功率选择按键Key3按下状态也不为2，则功率选择按键Key3按下状态为3，这时，单片机控制强功率脉冲控制信号发生； St4.由St3.l、St3.2和St3.3产生的各种控制信号组合成组合超声波控制信号发生； St5.由St4产生的组合超声波控制信号作用于驱动输出，将电能转换成机械能作用于待处理的作用对象； St6.驱动输出，超声波处理运行，等待下一步的控制操作。
全文摘要
一种小功率高频超声波电源装置及其实现方法，该装置通过软硬件结合的实验方式，硬件部分主要由电源操作面板、超声波电源电路、超声振子及其匹配电感构成。操作面板结构配有电源开关按键及其指示灯、复位按键及其指示灯、频率选择按键及其指示灯、模式选择按键及其指示灯和功率选择按键及其指示灯；电源电路主要由电源开关电路、复位电路、晶振电路、按键电路、各状态显示指示灯电路、椭圆滤波电路、模式和功率斩波开关电路、功率放大电路及匹配网络电路构成。该装置的频率发生模块、模式设定模块、功率选择模块、匹配电感切换控制模块和指示灯的控制模块均是由软件编程实现。
文档编号G05B19/042GK103207576SQ201210009690
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者闫军旺, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:江南大学