本发明属于超声阵列悬浮技术领域，具体涉及一种基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置。
背景技术：
随着近些年科技的发展，超声技术也迅速开展起来。超声波具有频率高，波长短，方向性好，穿透能力强等特点，在工业，农业，医学，军事等领域得到了广泛应用。并且高强度的超声波在传递过程中会产生辐射声压，利用辐射声压可以使物体浮在声源上方。在微生物、材料、化学以及其他领域的研究中，超声悬浮技术提供了一种理想和有效的实验手段，但是目前常见的超声悬浮装置几乎局限于静态实验，其中物体和液滴仅可以悬浮在空间中的固定位置。随着高精度、高复杂度、高灵活性的粒子操纵和运输的发展趋势，常见的悬浮装置难以满足微粒在声场中机械运动的可控性，这成为如今业界亟待解决的难题。
技术实现要素：
为了解决悬浮微粒单轴可移动的问题，本发明提出一种基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置。
本发明采用如下的技术方案：基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置，其特征在于，包括：电源模块、控制模块、阵元驱动模块及超声波相控阵列模块，
所述电源模块的电源输出端与控制模块及阵元驱动模块的电源输入端连接，电源模块用于向控制模块及阵元驱动模块输出驱动电压，以便驱动控制模块及阵元驱动模块；
所述控制模块的信号输出端与阵元驱动模块的信号输入端相连，控制模块用于生成脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号作为超声振动单元的原始激励信号；
所述阵元驱动模块用于接收控制模块发出的脉冲宽度调制信号，并将其放大后发送给超声波相控阵列模块，以便超声波相控阵列模块中的超声振动单元满足启动电压，从而产生驻波声场；
所述超声波相控阵列模块包括上凹球面壳体、下凹球面壳体、支撑架及超声振动单元，上凹球面壳体及下凹球面壳体呈正对平行布置且通过支撑架固定连接，上凹球面壳体及下凹球面壳体的凹面上均设置有超声振动单元；所述超声振动单元由三圈超声换能器构成，位于上凹球面壳体的所有超声换能器的输入引脚串联在一起形成第一路信号输入端，输出引脚串联在一起形成第二路信号输入端，位于下凹球面壳体的所有超声换能器的输入引脚串联在一起形成第三路信号输入端，输出引脚串联在一起形成第四路信号输入端。
其中，三圈超声换能器中最内圈布置有6个超声换能器，中间圈布置有12个超声换能器，最外圈布置有18个超声换能器。
进一步，所述超声换能器的型号为MA40S4S。
其中，所述电源模块包括直流稳压电路和降压稳压电路；直流稳压电路包括变压器、四只整流二极管1N4007构成的桥式整流电路、电解电容C1、电解电容C2及线性稳压器LM78H12，变压器用于将幅值为220V的正弦波交流电降至幅值为14V的正弦波交流电，桥式整流电路的输入端与变压器的输出端连接，桥式整流电路的输出端与线性稳压器LM78H12连接；所述电解电容C1与桥式整流电路并联，同时电解电容C1的正极与线性稳压器LM78H12的输入端通过电线连接；所述电解电容C2的正极与线性稳压器LM78H12的输出端连接，电解电容C2的负极与线性稳压器LM78H12的GND引脚连接；所述线性稳压器LM78H12用于输出幅值为12V的直流电压；降压稳压电路包括正12V转正5V转换电路及滤波电路，正12V转正5V转换电路包括三端集成稳压芯片LM7805、陶瓷电容C3及保护二极管D2，陶瓷电容C3的一端与三端集成稳压芯片LM7805的电压输入端通过电线相连，陶瓷电容C3的另一端与三端集成稳压芯片LM7805的GND引脚通过电线相连；三端集成稳压芯片LM7805的电压输出端与保护二极管D2的正向输入端通过电线相连；滤波电路包括陶瓷电容C4及电解电容C5，正12V转正5V转换电路的输出端分别与陶瓷电容C4的一端及电解电容C5的正极输入端通过电线相连，三端集成稳压芯片LM7805的GND引脚与陶瓷电容C4的另一端通过电线相连，同时三端集成稳压芯片LM7805的GND引脚与电解电容C5的负极输出端通过电线相连并连入GND接地端。
其中，所述阵元驱动模块包括第一驱动芯片MC34152、第二驱动芯片MC34152、陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15，第一驱动芯片MC34152及第二驱动芯片MC34152的GND引脚通过电线相连，第一驱动芯片MC34152及第二驱动芯片MC34152的VCC引脚均接入电源模块的12V直流电压输出端，陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15的一端通过电线与电源模块的12V直流电压输出端相连，陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15的另一端均通过电线与GND接地端相连；第一驱动芯片MC34152的输出端与位于上凹球面壳体的超声振动单元的输入端相连，第二驱动芯片MC34152的输出端与位于下凹球面壳体的超声振动单元的输入端相连。
其中，所述控制模块包括ATmega328P芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，ATmega328P芯片的信号输出端的ADCO/PCINT8及ADC1/PCINT9引脚与第一驱动芯片MC34152的逻辑信号输入端通过电线相连，ATmega328P芯片的信号输出端的ADC2/PCINT10及ADC3/PCINT11引脚与第二驱动芯片MC34152的逻辑信号输入端通过电线相连，ATmega328P芯片的振荡电路输入引脚PB6与陶瓷电容C10通过电线相连，ATmega328P芯片的振荡电路输出引脚PB7与陶瓷电容C11通过电线相连，同时ATmega328P芯片的振荡电路输入引脚PB6和振荡电路输出引脚PB7之间连接有一个16Mhz的晶体振荡器构成时钟电路；降压稳压电路输出5V直流电压的引脚与极性电容C6、极性电容C7及极性电容C8通过电线相连构成滤波电路；降压稳压电路输出5V直流电压的引脚与阻值为1K欧姆电阻R1A的一端相连，电阻R1A的另一端与ATmega328P芯片的重置引脚PC6和SW按键相连接入GND引脚形成复位电路；参考电压输入引脚AREF与电容C9的一端通过电线相连，电容C9的另一端接入GND引脚；从机选择引脚PB2和从机输入引脚PB3通过电线相连，时钟引脚PB5接入阻值为680欧姆的电阻R2A的一端，电阻R2A的另一端接入LED发光二极管的正极输入端，LED的负极输出端与GND引脚通过电线相连。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明提出的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置采用了新型的凹面双发射极结构，该结构的超声控制装置与传统单轴声悬浮装置相比，有效地调高了驻波悬浮能力；
2、本发明提出的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置改变了传统装置脉冲信号波形相位不可调的问题，通过对调制波相位的改变，满足了微粒在声场中的操控性能。
3、本发明提出的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置可将电源模块、控制模块及阵元驱动模块集成在一起，进而大大减小了该悬浮控制装置的体积；
4、本发明提出的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置能够稳定的悬浮多个微粒，并能控制它们的直线运动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置的结构原理图；
图2为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中电源模块的直流稳压电路原理图；
图3为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中电源模块的降压稳压电路原理图；
图4为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中控制模块的最小系统原理图；
图5为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中上阵列阵元驱动模块的电路原理图；
图6为本发明实施例中基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中下阵列阵元驱动模块的电路原理图；
图7为本发明基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置中超声波相控阵列模块的结构图。
图中各标记如下：1-上凹球面壳体，2-支撑架，3-下凹球面壳体，4-超声换能器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。本发明中使用的“第一”及“第二”、并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
参阅图1，本发明所述的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置包括电源模块、控制模块、阵元驱动模块及超声波相控阵列模块，
电源模块为控制模块和阵元驱动模块提供驱动电压，控制模块为阵元驱动模块提供四路40Khz的方波信号，阵元驱动模块输出四路驱动信号，分别驱动两个超声振动单元，超声振动单元所形成的超声驻波会使得微粒悬浮移动。
一、电源模块
所述电源模块包括直流稳压电路和降压稳压电路；
所述的直流稳压电路包括降压、整流、滤波及稳压四个环节，其中降压环节是220V市交流电通过变比为15的变压器把幅值为220V的正弦波交流电，降为幅值为14V的正弦波交流电；整流环节是通过由四只型号为1N4007的整流二极管搭成的桥式整流电路把幅值为14V的正弦波交流电转换为峰值为18V左右的单向脉冲电压；滤波环节是采用耐压不低于25V的电解电容把18V左右的单向脉冲电压转换为带有交流纹波的18V直流电压；稳压环节是用型号为LM78H12的线性稳压器把带有交流纹波的直流电压转换为12V直流电压；输出滤波电容能够抑制线性稳压器工作时产生的自激振荡，最终输出稳定的12V直流电压。
参阅图2，所述直流稳压电路包括变压器T1、四只整流二极管1N4007构成的桥式整流电路D1、电解电容C1、电解电容C2及型号为LM78H12的线性稳压器U1，变压器T1用于将幅值为220V的正弦波交流电降至幅值为14V的正弦波交流电，桥式整流电路D1的输入端与变压器T1的输出端连接，四只整流二极管1N4007分别为K1、K2、K3及K4，K1的负极与K2的正极用电线相连，K2的负极与K3的负极用电线相连，K3的正极与K4的负极用电线相连，K4的正极与K1的正极用电线相连；K2的负极与电解电容C1的正极输入端口用电线相连，K4的正极与电解电容C1的负极输入端口用电线相连；电解电容C1的正极输入端与线性稳压器U1的电压输入引脚Vout通过电线相连，电解电容C1的负极输出端、线性稳压器U1的GND引脚及电解电容C2的负极输出端通过电线相连，并接入接地端引脚GND，线性稳压器U1的电压输出引脚Vout与电解电容C2的正极输入端口通过电线相连，线性稳压器U1的电压输出端口Vout输出幅值为12V的直流电压。
所述的降压稳压电路包括正12V转正5V转换电路及滤波电路，其中正12V转正5V转换电路的正12V的直流电压是由直流稳压电路提供；
参阅图3，所述的降压稳压电路的正12V转正5V转换电路包括型号为LM7805的三端集成稳压芯片U2、陶瓷电容C3及保护二极管D2，陶瓷电容C3的一端与三端集成稳压芯片U2的电压输入端Vin通过电线相连，陶瓷电容C3的另一端与三端集成稳压芯片U2的接地端GND通过电线相连；三端集成稳压芯片U2的电压输出端Vout与保护二极管D2的正向输入端通过电线相连；滤波电路包括陶瓷电容C4及电解电容C5，正12V转正5V转换电路的输出端分别与陶瓷电容C4的一端及电解电容C5的正极输入端通过电线相连，三端集成稳压芯片U2的接地端GND与陶瓷电容C4的另一端通过电线相连，同时三端集成稳压芯片U2的接地端GND与电解电容C5的负极输出端通过电线相连。
电源模块与控制模块及阵元驱动模块的连接关系：
电源模块提供12V和5V的直流电压，其中为控制模块提供5V直流电压，为阵元驱动模块提供12V直流电压；即降压稳压电路的滤波电路中电解电容C5的正极输入端与控制模块的R1A电阻的一端通过电线相连，还与控制模块中ATmega328P芯片的电源输入端VCC通过电线相连，还与电解电容C6、电解电容C7及电解电容C8的输入端相连。
直流稳压电路中线性稳压器U1的电压输出端引脚Vout与两个型号为MC34152的驱动芯片驱动电压引脚VCC通过电线相连，两个型号为MC34152的驱动芯片分别为驱动芯片U4、驱动芯片U5，详见图5及图6。
二、控制模块
所述的控制模块主要是以ATmega328P芯片作为控制核心的最小系统。
参阅图4，图中是本发明控制模块的最小系统原理图，包括ATmega328P芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，ATmega328P芯片的信号输出端第23、24、25、26引脚与阵元驱动模块的驱动芯片U4及驱动芯片U5的逻辑信号输入端第2，4引脚一一对应通过电线相连，ATmega328P芯片的振荡电路输入引脚PB6与陶瓷电容C10通过电线相连，ATmega328P芯片的振荡电路输出引脚PB7与陶瓷电容C11通过电线相连，同时ATmega328P芯片的振荡电路输出引脚PB7和振荡电路输出引脚PB7之间连接有一个16Mhz的晶体振荡器构成时钟电路；降压稳压电路输出5V直流电压的引脚与极性电容C6、极性电容C7及极性电容C8通过电线相连构成滤波电路；降压稳压电路输出5V直流电压的引脚与阻值为1K欧姆电阻R1A的一端相连，电阻R1A的另一端与ATmega328P芯片的重置引脚PC6和SW按键相连接入接地端GND形成系统复位电路；参考电压输入引脚AREF与陶瓷电容C9的一端通过电线相连，陶瓷电容C9的另一端接入GND引脚；从机选择引脚PB2和从机输入引脚PB3通过电线相连，时钟引脚PB5接入阻值为680欧姆的电阻R2A的一端，电阻R2A的另一端接入LED发光二极管的正极输入端，LED的负极输出端与GND引脚通过电线相连。
三、阵元驱动模块
参阅图5及图6，所述阵元驱动模块包括两个型号为MC34152的驱动芯片，陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15，两个型号为MC34152的驱动芯片分别为驱动芯片U4及驱动芯片U5，驱动芯片U4及驱动芯片U5的GND引脚通过电线相连，驱动芯片U4及驱动芯片U5的第1引脚均接入电源模块的12V直流电压输出端，陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15的一端通过电线与电源模块的12V直流电压输出端相连，陶瓷电容C12、陶瓷电容C13、陶瓷电容C14及陶瓷电容C15的另一端均通过电线与接地端GND相连；驱动芯片U4的两路信号输出端与位于上凹球面壳体1的超声振动单元输入端相连，驱动芯片U5的两路信号输出端与位于下凹球面壳体3的超声振动单元输入端相连。
四、超声波相控阵列模块
参阅图5、图6及图7，所述超声波相控阵列模块包括上凹球面壳体1、下凹球面壳体3、支撑架2及超声换能器4，上凹球面壳体1和下凹球面壳体3是由一个球壳平行截取的上下两个弧面，上凹球面壳体1和下凹球面壳体3的相对位置不动，分别在上凹球面壳体1和下凹球面壳体3的弧面外缘相同位置标记两个点，引出两个立柱即支撑架2将上凹球面壳体1和下凹球面壳体3固定，这样可以保证上凹球面壳体1和下凹球面壳体3的中心为球心，从而能够使得超声波最大程度聚集，提供最强的悬浮能力。在上凹球面壳体1和下凹球面壳体3上分三圈布局型号为MA40S4S的超声换能器4，在最内圈布置6个超声换能器4，中间圈布置12个超声换能器4，最外圈布置18个超声换能器4，上凹球面壳体1和下凹球面壳体3分别布有36个超声换能器4。上凹球面壳体1、下凹球面壳体3及支撑架2的制作材料使用光敏树脂8000，其优点为强度好，质量轻。
超声换能器4是一个圆柱体，其直径为9mm，高度为7mm。在上凹球面壳体1和下凹球面壳体3内部每个超声换能器4的对应位置上设置有直径9mm、深度2mm的圆形凹槽，每个圆形凹槽贯穿两个小孔洞用于固定插入的超声换能器4引脚。在上凹球面壳体1上的所有超声换能器4的输入引脚全部用导线接在一起形成第一路信号输入端，所有超声换能器4的输出引脚全部用导线接在一起形成第二路信号输入端，第一路信号输入端和第二路信号输入端分别与驱动芯片U4的信号输出引脚7和信号输出引脚5用电线相连；在下凹球面壳体3上的所有超声换能器4的所有输入引脚全部用导线接在一起形成第三路信号输入端，所有输出引脚全部用导线接在一起形成第四路信号输入端，第三路信号输入端和第四路信号输入端分别与驱动芯片U5的信号输出引脚7和信号输出引脚5用电线相连。
基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置的工作原理简述如下：
1、开始，将220V市交流电接入电源模块的直流稳压电路，输出12V的直流电压，接入降压稳压电路，输出5V直流电压，输出的12V直流电压接入阵元驱动模块作为驱动电压，输出的5V直流电压接入控制模块作为启动电源电压；
2、参阅图4，ATmega328P芯片的第14引脚为发出频率为40Khz的晶振引脚，第15引脚为上拉高电平引脚，通过40Khz频率晶振和上拉高电平触发的形式输出40Khz频率信号；根据预先设置的第23、24、25、26信号输入输出引脚输出数字波形信号序列，两个驱动芯片MC34152的第2、第4信号输入引脚接收这些数字波形信号序列；
3、将一个微粒置于两个超声振动单元构成的超声波阵相控阵列中间位置，由于超声换能器4的振动，换能在超声波相控阵列装置中间形成局部驻波，微粒会受到驻波力的作用，驻波的声压节点会给予微粒一个与重力平衡的力，使其在超声复合声场的声波聚集点位置悬浮；
4、超声波阵相控阵列的任何旋转角度都可以产生稳定的局部驻波，可以使微粒悬浮并移动；ATmega328P芯片通过驱动改变一组超声换能器4数字波形信号的相位，这样会改变局部驻波内超声波聚集点的上下移动，随之复合声场内在这些声压节点上悬浮的微粒也会随之移动，整个装置悬浮控制过程结束。
超声悬浮微粒控制方法，该方法采用所述的基于凹面超声阵列的无容器悬浮控制装置，具体包括以下步骤：
a、将电源模块、控制模块、阵元驱动模块及超声波相控阵列模块通过电路连接起来，其中电源模块的输出引脚和控制模块输入引脚，阵元驱动模块的输入引脚相连；
b、控制模块和阵元驱动模块上电；
c、将一个微粒置于上凹球面壳体和下凹球面壳体的中间，实现微粒悬浮，调制脉冲波的相位，实现微粒单轴的上下运动。
该装置将各个器件或模块有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件或模块就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，各个器件和/或模块进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，程序编制基于的数学公式详见西安交通大学学报，第52卷第11期，“凹球面双发射极超声阵列悬浮能力研究”，本领域人员已充分知晓，正如上述所述，本发明并不是对各个器件和/或模块的单体做何改进，因此并不涉及软件的内容，而是提出一种如何将各器件和/或模块有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。