基于单片机控制的超声波换能器设计与实现∗

肖喜鹏　张加胜　刘祖超

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院　青岛　266580）

基于单片机控制的超声波换能器设计与实现∗

肖喜鹏†张加胜刘祖超

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院青岛266580）

为了提高超声波换能器电源的智能性和通用性，本文提出了一套以高性能dsPIC30F4011单片机为控制核心的换能器电源解决方案，并进行了相关的软硬件设计。该方案基于键盘输入选择标称频率拓宽了换能器的标称频率选型范围；基于最大电流法检测谐振点设定最佳频率保证了换能器电声转换的高效性；基于电压反馈检测调整输出电压和保持换能器的功率稳定，主要检测过程采用软件实现。实验结果证明采用该方案的超声波换能器电源具有现实可行性。

超声波换能器，电路设计，dsPIC30F4011单片机，谐振

1　引言

近年来，超声波换能器以其成本较低、环保无污染、人力需求量低、增产效果明显等突出优点在油气田、煤层气产区获得了日益广泛的应用。其工作原理是通过换能器振动产生的高频声波的振荡剥离、空化降粘、防蜡清蜡作用来提高岩层孔隙介质的渗透率，解除拥堵，疏通空隙，增加液体流动性［1］。

实际生产中，常常由于环境变化、器件老化等原因导致换能器谐振频率发生漂移，从而使得换能器的工作效率低下，损耗严重。针对这一问题，文献［2］提出基于耦合振荡理论的动态匹配谐振电感的方法，改变开关频率使换能器工作在新的耦合谐振频率点；文献［3］提出基于磁通控制可调电抗器的超声波换能器动态匹配策略，在变压器二次侧注入电流，改变串联谐振电感值。这两种方案虽然可行但控制较为复杂，实现起来困难。本文提出了一套基于dsPIC30F4011单片机的超声波换能器电源解决方案，该方案只需通过电流检测电路反馈，根据软件算法实现换能器的谐振频率上电自校验功能。此外，还能借助键盘显示系统对换能器进行标称频率选型匹配以及功率调节控制。

2　超声波换能器电路模型

压电陶瓷超声波换能器和串联匹配电感的等效电路模型如图1（a）所示。其中，C0为压电陶瓷的静态电容，L1，C1，R1分别为压电陶瓷的动态电感、动态电容和动态电阻，L0是与压电陶瓷相串联的匹配电感。当换能器进入谐振状态时，谐振角频率为等效电路模型如图1（b）所示，换能器等效阻抗为

图1　换能器等效电路Fig.1 Equivalent circuit of transducer

代入电路参数后有

由式（2）可知换能器实现谐振匹配的条件是

化简得

式（4）中，换能器的固有L1，C1，R1参数确定后，串联电感L0值也唯一确定。此时，换能器等效阻抗为

令分母为ρ=1+（ωfC0R1）2，分析可知谐振状态阻抗呈纯阻性，阻值为R1/ρ，阻抗大大降低，回路电流达到最大值，以此可以判断电路是否处于最佳谐振点［4］。

3　电源硬件设计

超声波换能器电源由整流和逆变两部分组成，本文整流部分采用单相不可控整流电路，逆变部分除主电路外还包括相应的控制、驱动、检测和保护电路，具体设计如下所述。

3.1主电路拓扑

换能器电源主电路如图2所示。整流部分为带电容滤波的单相桥式不可控整流电路，逆变部分采用单相全桥逆变电路。直流侧串一直流接触器，K1为其主触点，用于控制逆变电路的投入和切除，L0为串联谐振电感，C为滤波储能电容，PZT为压电换能器，U0为逆变电路输出交流方波电压幅度，可通过移相来改变电源输出有效值用于换能器输出功率调节［5］。

图2　主电路结构Fig.2 The main circuit structure

3.2控制系统设计

本文以dsPIC30F4011单片机作为系统控制核心，它是一款高性能数字信号控制芯片，具有6路10位PWM输出通道，54个可编程数字I/O引脚，包括处理器异常、软件陷阱、输入捕捉、通信、定时器、PWM故障、AD转换等各种中断事件，两个独立的异步串行通信模块（UART），不但能满足全桥逆变电路的控制信号需要，还能满足终端单元的通信要求［6］。控制系统如图3所示，包括最小系统、键盘模块、显示模块、控制模块、通信模块五部分。

图3　超声波换能器控制电路Fig.3 The control circuit of ultrasonic transducer

最小系统时钟源采用外部8 MHz晶振，+5 V电源作为AD电路模拟电压输入。键盘模块设有启动、停止、功能、加、减、复位、确定七个按键，可实现电源的启停控制、功能切换、调频和调压、电路复位等功能。其中，调频功能可实现电源交流方波电压输出频率在20 kHz 6 f 6 40 kHz内平滑调节，使电源可适应不同标称频率的换能器负载，提高了电源的通用性。调压功能可通过移相调压的方式来改变电源输出电压有效值从而调节换能器输出功率的大小（键盘设定使逆变电路移相角在5°6 θ 6 175°内平滑调节）。显示模块采用MC14489驱动的LG4042AH四位数码管显示，用于参数显示、数据输入选用、故障报警及代码显示等功能。

为满足大规模应用场合构建信息联网的需求，系统充分利用单片机的UART串口，预留了基于RS485的串行通信模块。通信模块输出可选用有线（485总线）或者无线（GPRS）的方式与上位机连接，组成“单主多从”式的通信网络。此外，在采油采气等换能器应用场所，经常需要采集井底压力信息，该控制系统在通信模块和控制模块分别预留了串行通信和AD采样端口（ADP），分别与现场的智能式或模拟式压力变送器相连。

控制模块中，单片机AN0引脚用于电源输出电压采样AD转换（ADU），AN1引脚用于电源输出电流采样AD转换（ADC）。PWM1L～PWM2H是单片机的4路PWM输出引脚，作为单相全桥逆变电路的控制信号，4路信号设置为连续向上/向下中间对齐的PWM输出模式，并设置1µs的死区时间以防止上下桥臂直通造成短路故障。

3.3电压电流检测电路

电压检测电路如图4所示， 高线性光耦HCNR200用于采样逆变电路输出电压U0，UADU输入到单片机ADU端口进行采样判断，并通过改变全桥逆变电路的移相角，达到换能器功率调节的目的，同时输出到显示模块。UADU与输入电压Uin满足的关系：

图4　电压检测电路Fig.4 The voltage detection circuit

式中，K为HCNR200传输增益。

电流检测电路如图5所示，霍尔电流传感器采集负载电流i，经电阻R6转换成电压信号。电压信号UADC经电容滤波后一路输入到单片机的AD采样引脚ADC，另一路给LM399提供比较电压Vin，当Vin高于参考阈值Vref时，三极管Q导通，继电器的相应触点动作，控制超声波换能器直流侧开关K1断开，将超声波换能器切除。

图5　电流检测电路Fig.5 The current detection circuit

4　系统的软件设计

基于换能器处于最佳谐振点时阻抗最小、电流最大的特点［7-8］，提出一种软件检测最佳谐振频率的上电自校验方案，dsPIC30F4011单片机通过波形发生器（MCPWM模块）产生PWM脉冲，在MCPWM模块中，PTMR为时基寄存器，DTCON为死区时间控制寄存器，PDC为PWM占空比寄存器，PTPER为时基周期寄存器，通过改变PTPER的值实现全桥逆变电路输出电压频率可变［9-10］。单片机在标称谐振频率附近搜索最大电流值，将此最大值对应的频率作为换能器的最佳谐振频率，锁定PTPER的值，使换能器工作在最佳谐振状态。根据晶振频率FCY、开关频率FPWM和PTMR预分频比可求得

系统软件根据键盘输入的标称频率初始化PTPER，改变PTPER的值使输出电压频率按步长0.1 kHz从下限频率逐渐递增到上限频率，每步间隔时间为0.7 ms。例如，对于标称频率fN=28 kHz的压电陶瓷换能器，其最佳谐振频率可能离散分布于26～30 kHz之间，软件配置系统时钟为8倍频后4分频，取PTMR预分频比为1：1，开关频率FPWM即输出电压信号频率f，由式（8）可得

上电启动后，输出频率以下限频率f下=26 kHz为起始频率，以0.1 kHz步长频率递增，逐一扫描对应的负载电流，将PTPER值和其对应的电流采样值存储于起始地址为30H的单片机内部数据存储单元，到达上限频率f上=30 kHz后停止扫描，根据冒泡法寻找所存电流数据表中电流最大值，并锁定PTPER的值。换能器运行过程中，通过定时器计时，每分钟调用一次频率自动搜索匹配程序，提高最佳谐振频率跟踪的实时性，也可减少人工参与。频率自动搜索匹配的软件中断流程如图6所示。

5　实验与分析

实验采用一个老化的标称频率为28 kHz的压电陶瓷换能器，参数如下：静态电容C0=47 nF、动态电阻R1=470 Ω、动态电感L1=1.5 mH、动态电容C1=22 nF，串联电感L0=0.68 mH，键盘输入标称频率，并在移相角θ=100°情况下进行数据采集，在标称频率附近负载电流值如表1所示。

图6　频率自动搜索匹配中断流程Fig.6　The interruption process of automatic searching and matching of frequency

表1　标称频率附近负载电流值Table 1　The load current value near the nominal frequency

由表1实验数据可知：负载电流值随着频率改变而变化；当频率为28.50 kHz时，负载电流幅值最大为6.365 A，即换能器最佳谐振频率为28.50 kHz。单片机搜索到最大电流后，锁定该频率所对应周期寄存器PTPER的值，实现换能器谐振频率自校验功能。图7（a）为换能器工作在标称频率下负载电压、电流的波形图，图7（b）为频率补偿后负载电压电流波形，显而易见，当换能器工作于本方案检测到的最佳频率时，负载电流近似与输入电压同相位，电流幅值最大，表明换能器到达谐振状态。实验结果证实了本方案是可行的。

图7　超声波换能器实验波形Fig.7　Experimental waveforms of ultrasonic transducer

6　结论

本文基于dsPIC30F4011构建超声波换能器谐振频率上电自校验匹配系统，通过搜索最大负载电流寻找换能器的谐振频率，从而使其工作在最佳谐振状态。由于系统每次启动都进行扫描，可以克服环境变化、器件老化导致谐振频率漂移的问题，同时可避开换能器的次共振频率点。此外，换能器输出功率调整简易，通过调节移相角θ改变输出电压有效值，就可有效控制换能器输出功率。实验结果表明本文提出的软件检测压电陶瓷换能器最佳谐振频率的方案在现实应用中具有可行性。

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Design and implementation of ultrasonic transducer based on single chip microcomputer control

XIAO XipengZHANG JiashengLIU Zuchao
（College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to improve the intellectuality and generality of traditional ultrasonic transducers power，a set of transducer power solutions based on the control core of high-performance dsPIC30F4011 microcomputer were proposed and related hardware and software were designed in this paper.First，the scheme was based on nominal frequency selection of keyboard to widen the nominal frequency of the transducer selection scope. Second，it was based on resonance point detection and optimum frequency setting of the maximum current method to ensure high conversion efficiency of the electro-acoustic transducer.Third，it was based on voltage feedback detection to adjust the output voltage and maintain steady transducer power，and the main detection process was implemented by software.The experimental results demonstrate that the scheme of the ultrasonic transducer power is feasible.

Ultrasonic transducer，Circuit design，DsPIC30F4011 single chip microcomputer，Resonance

TB552

B

1000-310X（2015）02-0113-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.004

2014-05-14收稿；2014-07-29定稿

∗山东省科技发展计划项目（2010GGX10714，2013GSF11607）

肖喜鹏（1989-），男，辽宁丹东人，硕士研究生，研究方向：电力电子与变频调速。

E-mail：kuaiest@163.com