超声波清洗机论文Word文件下载.docx

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利用超声波可以穿透固体物质而使整个清洗介质振动并产生空化气泡，该清洗方式对任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗洁净度非常高。

本系统运行可靠，实用性强，具有一定的使用价值和意义。

关键词：

单片机；

超声波换能器；

清洗机

Abstract

Ultrasoniccleaningthe20thcenturybeganintheearly50s,withthedevelopmentoftechnologyapplicationwidening.Atpresentalreadywidelyusedinelectronicindustry,cleaningsemiconductordevices,valveparts,printedcircuit,relays,switchesandfilters,etc.;

Mechanicalindustryforthecleaninggears,bearings,oil,pumpglibaccidentallypieces,fuelfilter,valvesandothermechanicalparts,asbigasaengineandmissilecomponents,smallaswatchparts;

Belikeagainopticalandmedicaldevicesusedforwashingvariousaspectslensglassesandbox,medicalglassware,needleandsurgicaltools,etc.

Thedesignofultrasoniccleaningmachineismainlyusedinprintedcircuitboardsurfacecomplexdevicessuchascleaning,thisdesignbasedonsinglechipdevice,canpasskeysforcleaningtimeSettings,throughLEDdigitaltubecountdownshow.Thisproductisakindofmechanicalandelectricalproducts,throughthepiezoelectricmaterialsmadeofsuperaudioultrasonictransducerelectricaloscillationtransformedintomechanicalvibration,produceultrasonicvibrationinliquidcleaning.Usingultrasoniccanpenetratethroughthesolidmaterialandmakewholecleaningmediumvibrationandgeneratecavitationbubbles,thecleaningmethodforanylifeappliancedoesnotexist,andlessthanone-offwashcleancleanlinessisveryhigh.Thissystemrunreliably,practicalstrong,hassomeusevalueandmeaning.

Keywords:

Microcontroller,Ultrasonictransducer,Cleaningmachine

1绪论

设计的背景及意义

目前，由于环境保护的要求，使用清洗剂逐渐成为众多厂家的首选，这就需要与超声清洗配合才能取得更好的效果。

近10年来，超声波清洗设备正在朝两个方面发展。

其一是，各种类型的多缸或传动链式或升降式超声清洗生产线相继面市；

其二是，低频超声波清洗机向高频超声波清洗机的发展。

在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声波清洗设备总量已呈明显上升之势，高达总量的50％，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声波清洗线体设备也已上升到总量的40％以上。

我国超声波清洗技术的应用已经取得了较好的成效。

一是机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、轴承、制动器、燃油过滤器、阀门的清洗。

二是印制电路板、硅片、晶片、元器件壳、座、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、连接件、显像管以及电真空器件等的清洗。

三是眼镜、显微镜、望远镜、瞄准具等光学系统及取样玻璃片的清洗。

四是医用器具、食品、制药、生化等试验中所用各种瓶罐的清洗。

五是喷丝头、精密模具、精密橡胶件、珠宝工艺品等的清洗。

我国现有各类超声波清洗设备制造企业近40家，但其分布主要集中在东南沿海地区。

据统计资料，沿海地区的厂家占全国总数的85％，可见经济发达地区对超声波清洗技术的应用不但在先，而且广泛，普及程度高，同时，这又证明超声波清洗技术在中西部地区推广普及的前景十分广阔。

就产品水平而言，当代产品与20世纪70—80年代的产品相比，技术进步也十分明显。

近年来，由于对汽车制动器生产线、冰箱压缩机生产线的传统清洗工艺实行技术改造，拟采用超声波清洗工艺。

在国外汽车底盘架、轿车外壳喷涂前的超声波清洗，配合专用清洗液，将除锈、去氧化膜及磷化一次清洗处理完成，烘干后即可喷漆等都有了新的应用和发展。

美国Dvpont公司在新泽西州制药厂的应用报告称：

超声波清洗能除去反应罐或化学处理桶壳表面的污物，比用普通方法节约能源，费用低且减少环境污染，清洗过程简单，只要在容器中灌满水，加热到65℃，并加入2％的表面活性剂，进行处理2—4h，即可清洗干净。

欧洲的一些厂家曾清洗过各种的罐，以前用甲醇加热到沸点一次处理4—8h，总共要进行5次清洗才能达到要求，而且超声波清洗只需要一次处理即能达到要求，既节省溶剂，提高效率，又减少环境污染。

随着超声波清洗设备的应用范围越来越广泛，各种经过不断完善和改进的新颖超声波清洗设备正在取代已面市的老式设备。

兆赫超声波清洗技术是指采用频率700kHz—2MHz的超声波进行清洗。

清洗系统一般由压电换能器、清洗容器和清洗液、高频电功率发生器及控制电路等组成，对于某些特定的清洗对象，有时还配有热空气烘干、专用清洗架及清洗液的过滤循环系统。

兆赫超声波清洗技术的主要特点，一是避免了高光洁度物体的表面损伤；

二是可除去附着在表面的亚微米大小的颗粒；

三是浸入液体中，面向换能器的一面能被洗净，所以要进行两面清洗。

目前，国外市场上已有商用的兆赫超声波清洗设备。

美国Verteq、Imtec、ProSys公司已开发出这类设备用于半导体生产线上，在对100—300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0．15μm的微小颗粒，而且可加快漂洗过程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附着。

兆赫超声波清洗是国外许多大规模集成电路制造厂家生产过程中不可缺少的标准设备。

超声波的作用原理

超声波清洗的原理，在理论要加以阐述是比较复杂的，里面牵涉许多因素和作用，可以体现超声波清洗作用的主要有以下三点。

（1）空穴作用

当强力的超声波辐射到液体中，清洗液以静压（一个标准气压）为中心进行变化，在压力到零气压以下时，溶解在液体中的氧会形成微小气泡核，进而产生无数近似真空的微小空洞（空穴）。

超声波的正压力时的微小空洞，在绝热压缩状态被挤碎，这个发生在挤碎瞬间的强力冲击波，可直接破坏污染物并使之分散在液中，形成清洗机理。

试验中这种强力的清洗作用，能在数十秒内对铝箔侵蚀成无数的小孔。

（2）加速度

清洗液体经超声波辐射，液体分子发生振动，这种振动加速度在28kHz时是重力加速度的103倍，在950kHz时将达到105倍，由这个强力加速度可以对受污物的表面实行剥离清洗。

然而，950kHz的超声波不产生空穴，不适应去油污的清洗，只能在电子工业的半导体制造中，对亚微米粒子的污染进行清洗。

（3）物理化学反应的促进作用

由空穴作用使液体局部发生高温高压（1000气压，5500℃），再经振动产生的搅拌，促使发生化学或物理作用，液体不断地乳化分散，进一步促进化学反应的速率。

1.2超声波的产生方式

连续振荡振幅及频率是固定的可强力清洗。

由驻波作用使清洗不均，应增加摇动，达到清洗均匀性。

加宽调制振幅变化有良好的脱气效果，对不同物体清洗性好，噪声大。

频率调制（FM振荡）振荡频率实行数千赫的变化能均匀地清洗。

清洗效率差，平均输出功率低。

清洗均匀，不易得到强力的超声波。

不易得到强力清洗。

圆锥形辐射清洗用不锈钢制成的共振体进行超声波辐射。

一般在清洗不充分场合使用可获得常规超声波10倍或20倍的强度，性能高。

但清洗面小，噪声大。

清洗条件的选择设定主要有以下特点：

清洗位置：

将清洗物置于驻波压力最大的位置，可获得最佳的清洗效果。

但是比驻波大的物体清洗时，易产生清洗不均，这时应将物体在上下数十毫米内加以摇动，这是减少清洗不良的常用方法。

由网孔引起的衰减：

在清洗小型物件时，多使用网篮方式，网篮网孔的大小不当，会造成超声波衰减，使清洗力降低，例在28kHZ场合，网篮的网孔直径需在5mm以上，才可正常清洗。

如小的螺钉清洗时，网孔最小要做到1mm，如果衰减大，使用0．1-0．5mm的薄板网蓝，也可得到正常清洗效果。

频率：

对于频率因素涉及的清洗效果，大体可这样认为，采用频率低的针对较难清洗的污垢，频率高的，适合于精密清洗场合。

液体温度：

随着液温的上升，液中生存的气泡会遮断声波，使超声波减弱，但是在常规做法上都以提高液温来增加清洗能力。

适合的液温要针对不同的清洗液和清洗物来确定。

清洗工序和清洗装置

清洗工序的设定要根据污染的类型，污染程度，处理批量来决定，譬如，眼镜片的清洗一般要10个工序。

在使用水系清洗剂时，最基本的工序制定如下：

超声波清洗（水系清洗剂）→超声波清洗（纯水、自来水）→脱水（干燥）

干燥处理对清洗物的清洗性优劣非常重要，常见的干燥方法有热风干燥、通风干燥、真空干燥、离心脱水干燥、IPA提升干燥等，可按照生产批量、成本、产品精度、被洗物形状等加以选择。

工业用超声波清洗机多为单槽或双槽式、自动清洗形式的清洗机也有多槽形式。

近年来，半导体行业用的清洗方式大多采用带950kHz超声槽的单枚式“US喷淋”高频清洗，可得到高性能的清洗结果，“US喷淋”的方式是将载有950kHz超声波所形成的水帷幕，用于液晶玻璃、电路芯片的超精密清洗，尘粒子可接近“零”的程度。

今后不同产品的湿式清洗，如需100％地发挥清洗剂的性能作用，对超声清洗装置将会提出更高的要求。

2系统论述

超声清洗是利用超声波在清洗液中的空化作用、加速度作用及直进流作用，产生的冲击，将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物震落剥离下来。

目前常用的超声波清洗机中，以空化作用和直进流作用为主。

超声波清洗机主要应用于电子、光学和医疗领域，用来清洗半导体器件、印制电路板玻璃器具等超声波清洗机由超声波发生器、超声波换能器、超声清洗槽及控制电路组成。

超声波清洗机主要利用超声波发生器产生超声波信号并传入超声波换能器，超声波换能器将超声波电能转换为高频机械振动并传入清洗液中，在清洗液中产生空化作用，从而达到超声波清洗的目的。

超声波清洗机控制的关键是频率跟踪，也就是使超声波电源输出频率和换能器频率一致，这样才能形成共振，使换能器处于最佳工作状态，清洗效果最好。

目前，常用的频率跟踪技术采用锁相环方式，该方法简单易实现，跟踪效果好，但功能单一。

本文采用单片机实现全数字控制，以便于设置相关参数。

该机的主要功能有频率自动跟踪、功率调节、振荡工作方式、扫描工作方式、定时功能。

超声波是一种超过人类听力频率范围的声波，具有频率高、方向性准、穿透能力强等特点，广泛应用于清洗、距离测量、医学等领域。

超声清洗始于20世纪50年代初，开始主要用于电子、光学和医药等领域，作为一项实用性很强的技术，其应用场所广泛，涉及到大的机械零部件，小半导体器件的清洗等，常常称作“无刷清洗”。

超声波清洗的主要特点是速度快、效果好、容易实现工业控制等针对复杂工件表面，如空穴、凹凸处，普通清洗方法很难实现，而采用超声波就可以获得很好的效果。

随着声化学的出现与应用，再配合使用适当的溶液，调节清洗液酸碱度等，清洗效果更好。

超声波清洗的原理和特点

超声波清洗的换能器将超声频电能转换成机械振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射超声波。

存在于液体中的微气泡（称为空化核）在声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合。

在气泡闭合时，产生冲击波，在气泡周围产生很大的压力及局部高温，这种物理现象称为超声空化。

空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。

蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。

气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝作振动，使污垢脱落。

由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。

超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面上会产生高速的微声流，所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。

由此可见，凡是液体能浸到声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，特别适合于清洗件表面形状复杂，如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化。

对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也达到高标准。

在某些场合下可以用水剂代替有机溶剂进行清洗，或降低酸碱的浓度。

对于一些有损人体健康的清洗，如清洗放射性污物可以实现遥控和自动化清洗。

超声清洗也有其局限性，例如对声波反射强的材料如金属、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而对声波吸收大的材料如布料、橡胶以及粘度大的污物清洗效果差。

2.2超声波清洗机的结构和参数设定

（1）超声波清洗机结构设计

超声波清洗机主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成。

超声波发生器将50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器。

清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。

（2）参数设定

为了实现超声波清洗的高效率，应当选择最佳的声强、频率及清洗槽声场分布等参数。

工作频率选在20—50kHz之间。

低频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品。

高频声波空化气泡小、数量多，易于清洗精细且形状复杂的物品。

本超声波清洗机用于清洗较粗糙的生活用具，所以采用低频20kHz。

清洗液采用碳氢清洗液，碳氢清洗液具有以下特点：

清洗性能好，蒸发损失小，无毒，材料相容性好，不破坏环境，价格便宜。

3系统的硬件设计

按照设计要求，超声波清洗机系统的硬件电路主要包括超声波发射电路，超声波接收电路，换能电路和键盘控制电路等，各模块有它特定的功能，这些电路性能的好坏直接影响系统的稳定性。

单片机外围电路设计

3.1.1单片机设计方案比较

单片机的选择有多种方案可供参考，例如AVR单片机、TI公司单片机、STC单片机、PIC单片机和51系列单片机。

因此我在在单片机外围电路设计前对各种单片机方案进行了比较[9]：

（1）AVR单片机

AVR单片机由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机。

其特点是：

简单易学，AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级；

费用低廉，高速，低耗，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。

（2）TI公司单片机

德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。

TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；

MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。

（3）STC单片机

STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰能力强。

（4）PIC单片机

是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

（5）51系列单片机

51些列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。

掌握起来比较简单，且成本低，可靠性高。

综上所述，选择51系列的单片机是最符合实际需求的，实验方便，且数据处理量不是很大，所以，本次设计选定以51系列单片机为控制核心的STC89C52单片机来进行。

3.1.2STC89C52单片机的特点

STC89C52是51系列单片机的一个型号，它是STC公司生产的。

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合[1]。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

主要功能特性:

（1）兼容MCS51指令系统8k可反复擦写（>

1000次）FlashROM

（2）32个双向I/O口,256x8bit内部RAM

（3）3个16位可编程定时/计数器中断,时钟频率0-24MHz

（4）2个串行中断,可编程UART串行通道

（5）2个外部中断源,共8个中断源

（6）2个读写中断口线,3级加密位

（7）低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能

STC89C52各引脚功能及管脚电压

图STC89C52引脚图

概述：

STC89C52为40脚双列直插封装8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能[2]。

P0口:

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口:

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口:

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P3口:

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位[4]。

XTAL1:

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能寄存器:

在STC89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE）。

数据存储器:

STC89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。

波特率发生器:

当T2CON中的TCLK和RCLK置位时，定时/计数器2作为波特率发生器使用。

如果定时/计数器2作为发