2 超声波清洗机各模块设计原理
　　2.1 整流滤波与功率调节模块
　　220 V50 Hz交流电经整流桥B1整流以及电解电容C12滤波后产生直流输出电压。其中双向可控硅TR1用于功率调节，C11为安规电容，R11和C11主要用于消除高频干扰。而U1为光耦，型号可以选择MOC3021，1脚和3脚接调功模块。光耦U1起到隔离强弱电的作用，增强了电路的可靠性和安全性。

　　图2 整流滤波模块
　　在超声波电源系统的工作过程中，整流滤波模块与逆变模块会发热，可以将两个模块安装在一个铝片散热器上，进行风冷散热。这样，系统可以更安全可靠工作。

　　2.3 变压与线性稳压
　　220 V50 Hz交流电经变压器T4降压为12 V,再经整流桥B4整流、C41滤波以及U1（L7812）线性稳压后，输出12 V直流电压，给PWM发生与控制模块供电。同时，直流12 V再经U2（L7805）二次稳压变为5 V，为处理器IAP15F2K61S2工作提供电源。LED1发光二极管，起电源指示作用。为了减少电压的脉动系数，加入了电容C43、C44多次滤波。

　　图4 降压与线性稳压

　　2.5 功率调节模块
　　功率调节的实现原理：通过IAP15F2K61S2单片机的一个AD口检测调功电阻上电压大小，再通过模数转换获得AD数值。再根据此值控制双向可控硅TR1过零延时触发，即通过控制触发脉冲的相位来控制输出功率。其中，图6为过零触发原理图，12 V交流电经二极管D31、D32整流以及R31、R32、R33限流限压，再经三极管Q3检测过零点。当电网电压过零时，P3.3产生负脉冲。另外，IAP15F2K61S2单片机的P3.3口是一个外部中断口，通过检测过零脉冲获得工频电压的过零点。

　　图6过零触发原理图

　　2.6 调谐匹配与阻抗匹配模块
　　超声波电源与换能器的匹配主要是调谐匹配和阻抗匹配。在调谐匹配中为减少静电抗产生的无功损耗，使压电换能器输出最大功率，需要通过匹配使换能器近似于纯电阻状态，提高超声波电源输出效率。另外，若完成了调谐匹配时，即负载为纯电阻状态时，为使电源输出最大功率，需要令实际负载和电源的最佳输出阻抗相等，而实现方法为：通过高频变压器使换能器的阻抗变换为超声波电源的最佳输出阻抗，从而使压电换能器输出最大功率。
　　图7为超声波清洗机调谐匹配与阻抗匹配模块。其中，虚线框内为压电换能器的等效电路图。

　　图7调谐匹配与阻抗匹配
　　其中，Co是压电换能器的静态电容，主要是由夹持而产生的电容，它是一个真实的电学量；Ro是压电换能器的介电损耗电阻，一般认为Ro无穷大，通常忽略不计；Ld、Cd、Rd分别为压电换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当Ld、Cd处于谐振时，串联支路为纯阻。在串联电感调谐匹配作用下，超声波电源的整个负载呈现出纯电阻性。当电源的输出电压稳定时，阻性负载上得到的功率只和负载的阻值有关，因此，需要采用高频变压器来进行阻抗变换，从而使超声波电源能够以最大功率输出。

　　3 结束语
　　文中根据实际需求，以STC一款型号为IAP15F2K61S2的单片机作为控制核心，提出了超声波清洗机系统整体设计方案。根据设计方案，进行了软件、硬件的设计和调试，保证其工作频率在20~50 kHz范围内连续可调，死区时间稳定，从而使与超声波电源与压电换能器匹配后能够产生大功率的超声波。最后根据设计制作出了一款具有调功、调频、定时功能的超声波清洗机。通过现场试验，本超声波电源系统能够长时间稳定地工作。

物联网智能网关电源电子电路设计图
　该网关设备采用220V交流供电，电源模块直接采用成型稳定的品牌幵关电源。该开关电源输出5V电压，供应板上弱电部分的电源需求。弱电部分为三块：核心板、扩展板和RS485接口板。这三部分的电源各自独立设计，互相隔离，避免了互相干扰。

　　扩展板电源设计核心板上的电源主要有5V和3.3V两种。5V电源的耗电单位对电源的要求较低，可以直接使用开关电源提供的5V电源。由于核心板是搭载在扩展板上的，核心板没有单独的电源接口，因而核心板的电源也从扩展板上的5V电源接口引入。在扩展板上5V电源接口的入口处还引入了开关和保险丝，以方便设备的幵关和过流保护。3.3V供电的部分采用LM1117-3V3对5V电源进行稳压，电路原理图如图。