一种超声驻波悬浮实验装置（一）--主模块

模块原理说明

超声驻波悬浮技术,是非接触式支撑技术的一种,它能够用来模拟空间环境的微重力、无接触等特性,为生物化学以及材料科学领域提供一种接近理想状态的实验条件,还能够克服传统的接触式操作对精密零件表面的破坏等问题。

超声驻波悬浮是利用超声换能器的辐射端产生高频的活塞式振动,在介质中形成声场,在声波传输路径上放置反射端,使声波反射回来与入射声波相互叠加,调节辐射端面与反射端面之间的距离,使之为超声波半波长的整数倍,入射波与反射波在声场空间中反复多次叠加形成高强驻波声场,并形成辐射声压,置于驻波声场中的物体在辐射声压的作用下,将达到悬浮状态。

本文超声驻波悬浮实验装置可以悬浮起聚苯乙烯颗粒、小水滴、贴片IC等小物体。

一、产品简介

一款利用超声波驻波实现小物体悬浮的实验装置。本装置使用两组共72个40KHz超声波发射头，每组36个，间距为超声波半波长的整数倍，两个超声波模组发射方向对置放置发射超声波，实现驻波声场,并形成辐射声压,从而建立起实现悬浮起物体的声场条件，供实验使用。

二、应用场景

声悬浮实验对于增加学生对物理学的兴趣，提高学生的学习能力会有一定的帮助。本实验装置适合小、中、大学学生及对声悬浮原理感兴趣的人士使用及电子爱好者DIY。

三、产品概述

本装置电路部分由主模块、控制显示模块、LED照明模块及蓝牙通信模块组成，是软硬结合的形式。主模块主要是基于GD32E230C8T6作为处理器产生两路40KHz脉冲信号，分别经由两个AT8870驱动器产生最高36Vpp的激励输出电压，驱动超声波发射头工作产生40KHz超声波。另外LED照明模块升压恒流电路和激励电压产生电路也设计在主模块电路板上。

  LED照明模块由SX1308和PT4115芯片组成升压、恒流驱动电路，GD32E230C8T6的PA7提供PWM控制PT4115实现LED亮度调节控制。

   另外GD32E230C8T6的PA2、PA3端口与JDY-31-V1.3蓝牙SPP串口透传模块连接实现无线控制电路，可以通过安卓手机APP实现无线控制操作。

软件代码提供HEX格式文件便于MCU直接编程加载。

   本装置的外壳由主机体和超声波发射模组支架两部分组成。

四、 产品参数

电气参数：

1、工作电压典型值：DC6V/4A 使用AC-DC电源变换器供电。

2、超声波发射器激励电压：PWM 14-36Vpp。

3、通讯接口：RS232连接蓝牙通信接口模块。

4、超声波发射头工作频率40Khz。

5、超声波发射模组与主模块连接：GX12-6P连接器，六线制连接。

规格参数：

1、PCB尺寸：主板约66.4mm*51.5mm双层PCB设计。

结构总览

3D简介图

五、使用说明/教程

主模块需要与控制显示模块配合使用（控制显示模块详见我个人主页）。

项目模块连接示意图

1.按以上图示接好供电电源、超声波发射模组与主机通过专用6芯连接器连接好（上图灰色电缆）。打开主机电源开关。如果实验悬浮不同材质的小物体，需要预先调节合适的激励供电电压，即可成功进行声悬浮实验。

2.按压主机的轻触开关，可以控制两组超声波信号的相位变化，实现操控悬浮物的上下移动。

3.通过安装手机APP “BTClient”可以控制LED辅助照明灯的开关及超声波信号的相位变化等。

4.辅助工具需要准备镊子、小网抄，做水滴或酒精灯液体悬浮需要准备一个注射器等。

六、备注

1、主模块需要烧录程序代码才能使用，附件中提供main.hex可直接加载烧录。GD32E230C8T6编程使用的是CMSIS DAP仿真器STM32/ARM下载器JTAG/SWD串口替代ST-J-LINK/LINK，该模块在附件中有推荐购买链接。

2、本项目模块BOM不包括JDY-31-V1.3蓝牙SPP串口透传模块，该模块在附件中有推荐购买链接。

3、AC-DC电源变换器需单独购置，在附件中有推荐购买链接。

4、BTClient安卓手机App下载见附件BTClient.apk。

5、制作成本：主模块约50元含PCB板，蓝牙通信模块约4.9元，AC-DC电源输出6V/4A约：13.5元。外壳3D打印约150元，超声波发射头φ10mm约 1.4x72=100.8元。80mm led天使眼光圈17.6元。

6、本模块需要搭配控制显示模块配套使用，无法单独工作，控制显示模块详见我个人主页（一种超声驻波悬浮实验装置(二)-控显）。

7、附件文件列表如下。

 （1）、超声驻波悬浮实验装置-主模块-固件代码hex.zip

（2）、超声驻波悬浮实验装置-主模块-手机App.zip

（3）、超声驻波悬浮实验装置-外壳3D模型STL文件包AL3d.zip

（4）、超声驻波悬浮实验装置-主模块-特殊元件推荐购买链接文件.zip

（5）、超声驻波悬浮实验装置-主模块-安装调试说明.zip

七、测试视频

视频主要介绍使用本文超声驻波悬浮实验装置实现聚苯乙烯颗粒、小水滴、贴片IC等小物体悬浮的实验操作演示。