论文总字数：16504字

目 录

1绪论 1

1.1设计背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.3研究内容和论文结构 2

1.3.1电路设计 2

1.3.2软件设计 2

1.3.3论文结构安排 2

1.4超声波清洗的清洗原理 3

1.5超声波清洗的主要参数 3

1.6本章小结 4

2系统论述 4

2.1系统总体设计 4

2.2参数设定 5

2.3本章小结 5

3系统硬件设计 5

3.1单片机的选择 5

3.1.1 MSP430单片机 6

3.1.2 AVR单片机 6

3.1.3 51系列单片机 6

3.2 LCD显示屏的选择 7

3.3 超声波发生器的设计 8

3.3.1超声波振荡电路的设计 9

3.3.2低压驱动电路 11

3.3.3功放匹配电路 11

3.3.4高频驱动和匹配电路 12

3.4 超声波换能器选择 12

3.5清洗槽的设计 13

3.6 总体电路设计 14

3.7本章小结 14

4系统软件设计 15

5综合测试 16

6总结与展望 19

6.1总结 19

6.2未来展望 20

参考文献 20

致谢 22

附录1 PCB图 23

基于超声波的眼镜清洗设备

常斌

，China

Abstract:

In daily life, we often personally clean jewelry or daily necessities, but this form is a waste of time, efficiency is not very high, ultrasonic cleaning technology naturally appears in people's eyes. Ultrasonic cleaning technology was invented early, but it cannot be applied to everyday life for technical reasons. Later, this ultrasonic technology was applied in various areas where general cleaning methods could not be effectively cleaned. Ultrasonic cleaning technology is mostly used for cavitation. Ultrasonic waves are used to make the cleaning fluid vibrate, causing the liquid to undergo cavitation. Then many bubbles are generated in the cleaning solution. The bubbles are subjected to a large pressure, and when the critical value is reached, The explosion of the air bubbles will cause the impurities on the surface of the object to fall off into the cleaning liquid to achieve the cleaning effect. Therefore, the topic I chose for this graduation project was the ultrasonic cleaning machine. The ultrasonic cleaning machine designed this time is to clean the glasses. Through the control of the single chip computer, the cleaning time can be set by pressing a button, and the cleaning time is displayed on the LCD screen. The design of the hardware structure is clear and stable.

Key words: Ultrasonic wave;Single chip microcomputer;washing machine.

1绪论

1.1设计背景及意义

超声波技术诞生的很早，但是由于技术不成熟一直不能被应用于实际生产生活中，那时候的人们还没意识到超声波的巨大意义。不过最近几十年以来，市场急需更加高效率的清洗技术来满足自己的要求，得益于社会的需求，超声波清洗技术发展得很快。其中在两个方向发展迅速[1]，第一是从低频超声波向高频超声波发展,在很多年以前超声波频率一般低于100KHz，而现在人们将频率在100KHz以上的超声波也运用到实际当中。第二个方向是向多缸式[2]，举升式超声波清洗机的方向快速发展。不过在国内这些新技术发展得还不是很快，但是在国外则不同，这类的超声波清洗设备已经可以投放市场，并取得了初步的成功，正在逐渐取代老式的超声波清洗设备。

最近几十年以来[3]，随着超声波清洗技术的发展成熟。很多的厂商纷纷采购超声波清洗设备来代替原来的技术落后的清洗设备，这使得生产效率大大提升，并且改善了当地的生产环境，可谓一举多得。不过超声波清洗技术的研究可不是一帆风顺的，在最早的时候科学家认为是气泡爆炸使物体表面的杂质脱落以达到清洗效果，不过经过科学家的反复的实验，证明了以前的理论是不严谨的，实际上并不是气泡爆炸导致物体表面的杂质脱落，而是由于空气的空化作用来达到清洗作用。尤其进入20世纪以来[4]，由于时间的推进，超声波清洗技术越来越成熟。

超声波清洗机相比于传统的清洗设备有这很大的优势，比如它有更好的清洗效果，而且它的清洗速度还更快，清洁得更加干净，更重要的是超声波清洗的过程并不需要人手去碰触清洗液，只需要人力控制机器即可，因而更加安全可靠，而且对物体的表面没有损害。另外还有一点就是[5],超声波清洗对表面凹凸不平的物体也能达到很好的清洗效果。这种物体如果用传统的清洗方式的话既浪费体力又浪费时间。但是用超声波清洗的话既能够节省场地又可以节省人力。可以说现在超声波清洗技术已经覆盖了社会的各个领域，而且已经显示出了很好的优势，现在正逐步替代原来传统的清洗设备。

1.2研究现状

超声波技术在国内的发展比国外晚几十年，但是我国的超声波技术发展迅速，尤其是在东部沿海地区。因为东部的经济比较发达，所以迫切地需要更加高效的清洗方法，因此，企业投入大量的人力物力到超声波清洗技术中。大量的人才进入到超声波清洗技术的研究中。经过几十年的奋斗，我国的东部沿海地区的超声波清洗技术已经追赶上了国际领先水平。在东部地区，超声波清洗技术被先于中西部发展应用到生产生活中。而且它涉及的范围很广，包括工业和生活方面，工业的金属需要清洗，生活中的各种首饰和生活用品也需要清洗。不过从最近几年开始，中西部也在积极发展超声波清洗技术，因为现在中西部的经济发展迅速，需要这种效率极高的超声波清洗技术来发展经济。因此西部地区引进东部地区的超声波清洗技术的先进经验，这个技术给当地的经济发展带来了很大的推动作用。从二十一世纪以来，超声波清洗技术在我国迎来了很好的发展机遇。

国外发展超声波清洗技术要追溯到半个多世纪以前。一些国外企业在清洗一些工业品的时候，很多时候都需要清洗很多遍才能达到工业要求，效率一直很低下，导致经济发展得也不是很快。直到后来，科学家发明了超声波清洗技术，不过刚开始的时候，这种技术有很多缺陷，经过一代一代地改进，超声波清洗技术逐渐发展起来。这个时候有些企业率先进行尝试，尝试之后发现清洗效果不错的同时效率更是提高了好几倍，因此其他企业也逐渐开始应用超声波清洗技术。这种技术的效率极高，只需要清洗一次即可满足企业的要求。超声波清洗技术大大地提高了效率，而且还减少了对环境的污染。随着技术的逐步发展，超声波清洗机不断地被改进，并且逐步替代掉市场上传统的清洗设备。

最近几年，赵赫超声波清洗技术正在逐渐被开发。赵赫超声波清洗技术是频率高于700KHz但是低于2MHz的超声波清洗技术。这种新技术比一般频率的超声波清洗技术更加有优势。这种高频清洗技术能够避免表面光滑物体损伤，另外，它的清洗效果更佳，而且还能够清洗掉物体表面及其细微的颗粒。目前，国内还没有厂家宣布研制出这种设备，不过国外的厂商已经研制出这种技术，并根据这种技术研制出兆赫超声波清洗机。其中总部位于美国的Verteq公司就研制了这种清洗机，并用来清洗半导体，它能够清洗掉半导体表面上0.15μm的细小颗粒。这种技术给企业带来了不可估量的经济效益。

1.3研究内容和论文结构

1.3.1电路设计

电路部分主要包括超声波发生电路，发生电路包括超声波振荡器电路，超声波放大器电路，高频驱动和匹配电路，除了上述的发生电路之外还有外围键盘控制电路。电路部分是整个设计的重要部分。由于输出部分电压较高，试验时必须做好保护措施。

1.3.2软件设计

编写程序来通过按键来进行超声波清洗机的启动和停止以及清洗时间的设置和在LCD显示屏上的显示等功能。

1.3.3论文结构安排

论文第一章主要介绍了超声波清洗的研究背景，以及国内外的研究现状，又简单地介绍了超声波清洗运用的原理和需要了解的参数。

第二章是对整个设计的整体构思，只有弄清楚超声波清洗机的构造才能开始动手，并且要对超声波清洗的几个参数进行设定，已为后续的工作打好基础。

第三章主要是超声波发生器的各种电路的设计，还有单片机和LCD显示屏的选择以及超声波换能器的选择和清洗槽的设计。这一章可以说是整个设计的重要部分，因为电路设计的好坏直接关系到整个产品的质量，一旦电路设计错误，整个作品就无法完成。可以说这一章是本次设计的重要部分。

第四章是软件设计，包括软件的系统框图和流程图，以及需要用到的一些重要函数的介绍。

第五章是整体的测试部分，这部分是对产品的测试，以及整个过程中遇到的困难和解决的方法。

第六章是总结和展望，这部分是自己对整个作品的评价，有什么不足以及要改进的地方。还有就是对未来的展望。

1.4超声波清洗的清洗原理

大多数超声波清洗机运用的原理都是空化作用[6]，超声波清洗的原理是把超声波发生器发出的高频率震荡信号传输给超声波换能器，然后通过换能器转换成机械振荡，把换能器粘到清洗槽的下面，然后传到清洗槽的清洗液中。这时超声波会使清洗液发生流动从而会产生很多的小气泡，而这些小气泡由于声场的作用而产生振动，当声场达到一定强度的时候，气泡会迅速变大并迅速闭合，这时会产生冲击波，使微小的污垢脱落进入清洗液中，从而能够达到清洗的效果。并且超声波清洗比传统清洗的效果更好，另外不需要人手接触清洗液。现在的超声波清洗机绝大多数利用的都是空化作用。空化作用主要是由空化泡的形成，膨胀，崩溃这三个过程组成。超声波传入清洗液中后[7]，由于振动而产生很多的微小气泡，这就是空化泡。气泡会迅速膨胀，同时会在正压区迅速闭合。当气泡承受最大压力的时候会发生崩溃，会产生巨大的压力，是物体表面的微小颗粒脱落。从而达到清洗效果。

1.5超声波清洗的主要参数

超声波清洗主要有四个参数。其中第一个参数是频率[8]，超声波的频率一般在20KHz以上。再细分的话又可以分为三个部分，较低的为低频，较高的为高频，低频和高频中间的为中频。较早的时候发展的大多说都是低中频超声波清洗，高频清洗技术是在最近几年才开始发展起来的。第二个参数是清洗介质，超声波清洗的清洗剂共分为两个大类，其中第一大类是化学类清洗剂，这种清洗剂会和污垢发生化学反应，再加上超声波清洗的作用，因此这类清洗剂的清洗效果很好，但是价格会比较贵。其中第二大类即水基清洗剂。这类清洗剂并没有化学清洗剂的化学作用，但是它的制作成本非常低廉。第三个参数则是超声波频率，在一般情况下，超声波的频率越低越容易产生空化作用，适合清洗比较粗糙的物品，而频率比较高的超声波，它的方向性更强，因此比较适合清洗表面比较精细的物品。第四个参数是清洗温度，经过科学家多次的实验表明[9]，清洗温度在30°到40°之间时空化作用最好。

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