本設(shè)計的超聲波發(fā)生器是利用單片機(jī)生成初始信號，然后經(jīng)過一系列處理電路的作用后生成用來殺滅水蚤的超聲波，成本低、效果好，可以在農(nóng)業(yè)上加以采用。在此對3個模塊進(jìn)行設(shè)計：
(1)信號發(fā)生模塊。12 MHz的8051單片機(jī)硬件連接及其程序設(shè)計。
(2)信號處理模塊。驅(qū)動電路設(shè)計(CD4069非門集成芯片);倍頻電路設(shè)計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、11 257.9 nH自制電感、1 kΩ電阻);整波電路設(shè)計(CD4069非門集成芯片);和頻電路設(shè)計(CD4081與門集成芯片);選頻電路設(shè)計(S9014或ECGl08三極管、104普通電容、112.58 nH自制電感、1 kΩ電阻)。
(3)信號檢測模塊、數(shù)字示波器的連接。
在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計一臺超聲波發(fā)生器樣機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：220 VAC(50 Hz);開關(guān)頻率：1.5～1.8 MHz;最大的輸出功率：500 W;功率范圍：50～500 W。
1 信號發(fā)生模塊的設(shè)計
選取一個8051單片機(jī)芯片，將晶振電路、復(fù)位電路、電源電路連接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)的中斷資源和I/O口資源進(jìn)行相應(yīng)連接并進(jìn)行程序編輯：用P3.2口控制初始信號的發(fā)射與否，用P0.O口、P0.1口發(fā)射初始信號，如圖1所示。
2 信號處理模塊的設(shè)計
2.1 驅(qū)動電路的設(shè)計
如果將兩列波(0.03 MHz)直接從單片機(jī)的輸出口PO.O和P0.1輸出接入后面的5倍頻電路，可能會由于電流小而不能驅(qū)動倍頻電路。從這點來考慮就需要在單片機(jī)與倍頻電路之間接入一個驅(qū)動電路，如圖2所示。在單片機(jī)的一個輸出口接一個非門，而后接入由4個非門并聯(lián)的電路，由于非門是有源器件，這樣就使得輸入倍頻電路的信號能量大大提高，起到驅(qū)動電路的功能(若用方波發(fā)生器來代替單片機(jī)就可省略驅(qū)動電路)。
2.2 倍頻電路的設(shè)計
根據(jù)電容電感元件的基本特性，以及電路的相關(guān)知識可以由已知條件得出：
如圖3所示，當(dāng)在LC并聯(lián)電路中發(fā)生并聯(lián)諧振時，由電路的特性可知：
并聯(lián)諧振具有下列特征：
(1)諧振時電路的阻抗摸為|Zo|=1/(RC/L)=L/RC。其值最大，即比非諧振情況下的阻抗摸要大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時達(dá)到最小值，即I=IO=U/(L/RC)=U/|Zo|。
(2)由于電源電壓與電路中電流同相(∮=0)，因此電路對電源呈現(xiàn)電阻性。諧振時電路的阻抗摸|Zo|相當(dāng)于一個電阻。
(3)諧振時各并聯(lián)支路的電流為：IL=U/2πfoL;Ic=U/(1/2πfoC)，可見IL=Ic>Io，品質(zhì)因數(shù)Q=IL/Io。
(4)當(dāng)電路發(fā)生諧振時，電路阻抗摸最大，電流通過時在電路兩端產(chǎn)生的電壓也是最大。當(dāng)電源為其他頻率時電路不發(fā)生諧振，阻抗摸較小，電路兩端的電壓也較小。這樣就起到了選頻的作用。電路的品質(zhì)因數(shù)Q值越大，選擇性越強(qiáng)。
通常把晶體管的輸出特性曲線分為3個工作區(qū)：
(1)放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，Ic=βIb。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因為Ic和Ib成正比的關(guān)系。當(dāng)晶體管工作于放大區(qū)時，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即對NPN型管來說，應(yīng)使Ube>O，Ubc
(2)截止區(qū)。Ib=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。Ib=0時，Ic=Iceo。對NPN型硅管而言，當(dāng)Ube
(3)飽和區(qū)。當(dāng)Uce
LC選頻電路接在集電極電路中，通過的交流電流為Ic，其兩端交流電壓為Uce(即為輸出電壓)，它是并聯(lián)交流電路。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時，諧振頻率可求得，當(dāng)將振蕩電路與電源接通時，在擾動信號中只有頻率為f0的分量才發(fā)生并聯(lián)諧振。在并聯(lián)諧振時，LC并聯(lián)電路的阻抗最大，并且是電阻性的(相當(dāng)于集電極負(fù)載電阻Rc)。因此，對f0這個頻率來說，電壓放大倍數(shù)最高，當(dāng)滿足自激振蕩的條件時，就產(chǎn)生自激振蕩。對于其他頻率的分量，不能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這就達(dá)到了選頻的目的。在輸出端得到的只是頻率為f0的信號。當(dāng)改變LC電路的參數(shù)L或C時，輸出信號的振蕩頻率也就改變，于是就可以進(jìn)行倍頻，本實驗用的是五倍頻，如圖4所示。
在實驗中已知頻率和電容參數(shù)計算電感參數(shù)，由已知條件可得：Ll=L2=11257.9 nH;L3=112.58 nH。
由單片機(jī)輸出的信號頻率即在A1點或A2點(0.03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號頻率應(yīng)為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(O.15 MHz)，仿真結(jié)果如圖5所示。
2.3 整波電路的設(shè)計
在本實驗中運(yùn)用的是CD4069集成非門電路，非門主要是將輸入信號波整合成方波以便于后面與門對波的進(jìn)一步處理。只要工作電壓達(dá)到非門的開啟電壓經(jīng)過這樣的處理就可將輸入波整合成方波，如圖6所示。
由5倍頻放大器輸出的信號頻率即在A3點或A4點(0.15 MHz)經(jīng)由兩個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應(yīng)為方波，仿真結(jié)果如圖7所示。
2.4 和頻電路的設(shè)計
在本實驗中運(yùn)用的是CD4081集成與門電路，與門主要是將輸入的兩列方波信號相互作用后再輸出，而后進(jìn)入后面的5倍頻電路進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在本實驗中與門起到了乘法器的作用，并且可以減少雜波的干擾，使實驗效果更加良好。
其中與門實現(xiàn)和頻的原理是實驗中的關(guān)鍵，下面就對此做出討論：設(shè)兩列占空比為1;1幅值為1的方波b(t)和x(t)的頻率分別為f0和f1= f0+△，其中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f1為待測頻率，設(shè)f1≥f0且1≤f1/f0<2(同理可證明f0≥f1且1≤f0/fl<2的情況)，△max=max{△}
根據(jù)傅里葉有關(guān)定理知：設(shè)周期為2l周期函數(shù)f(x)滿足收斂定理條件，則它的傅里葉級數(shù)展開式為：
假設(shè)有兩列波：
方波1可表示為：
sinω1t+(1/3)sin3ω1t+(1/5)sin5ω1t+…
方波2可表示為：
sinω2t+(1/3)sin3ω2t+(1/5)sin5ω2t+…
方波1乘以方波2就為ω1+ω2波。
本實驗中方波1(0.15 MHz)與方波2(0.15 MHz)經(jīng)過與門后就變成0.3 MHz(0.15MHz+0.15MHz)的方波，如圖8所示。
由非門輸出的信號頻率即在A5點(0.15MHz)或A6點(0.15MHz)經(jīng)由與門后輸出的信號應(yīng)為頻率為O.3 MHz的方波(即在A7點)，仿真結(jié)果如圖9所示。
2.5 選頻電路的設(shè)計
在本實驗中運(yùn)用的5倍頻選頻電路和5倍頻倍頻電路的原理相同，如圖10所示。
由與門輸出的信號頻率即在A7點(O.3 MHz)經(jīng)過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5 MFIz，仿真結(jié)果如圖11所示。
2.6 整體電路的設(shè)計
整體電路如圖12所示。由單片機(jī)輸出的信號頻率即在A1點或A2點(O.03 MHz)經(jīng)由5倍頻放大后輸出的信號頻率應(yīng)為輸入信號頻率的5倍即為A3點或A4點(0.15 MHz);經(jīng)由2個非門后(即在A5點或A6點)輸出的信號應(yīng)為方波;由非門輸出的信號頻率即在A7點應(yīng)為兩列方波經(jīng)由與門后輸出的信號應(yīng)為頻率相加的方波(O.3 MHz);由與門輸出的信號頻率即在A7點經(jīng)過5倍頻選頻電路后輸出的超聲波的頻率為1.5 MHz(A8點)，仿真結(jié)果如圖13所示。
3 信號檢測模塊的設(shè)計
在本設(shè)計中由信號發(fā)生模塊發(fā)出O.03 MHz初始信號后，經(jīng)過信號處理模塊后是否達(dá)到預(yù)定要求，這需要經(jīng)過檢測模塊檢測最終信號是否達(dá)到1.5～1_8 MHz的頻率要求。本模塊由數(shù)字示波器來進(jìn)行檢測的，經(jīng)過查看圖形，設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求，如圖14所示。
4 結(jié)語
本設(shè)計中設(shè)計的農(nóng)用超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、維修便宜，可靠性好，性能穩(wěn)定。該超聲波發(fā)生器不僅可以在農(nóng)業(yè)上用來殺滅水蚤，而且可以一機(jī)多用，因為該機(jī)的功能完全取決于8051單片機(jī)的所編程序，根據(jù)實際需要，可以隨時改變程序設(shè)計來滿足要求，可移植性好。該超聲波發(fā)生器成本較低，實用性好，便于在農(nóng)業(yè)上廣泛普及。