CN104767503A - 一种超声波可控式脉冲发波驱动电路及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声波可控式脉冲发波驱动电路及其驱动方法，其中，CPU控制器单元控制发波脉冲数量，当准备发波时，CPU控制器单元的输出端由低电平转为高电平；D触发器的输出同时控制光电耦合器，光电耦合器的输出实现对驱动电路单元的使能控制，使能的边沿与555振荡器单元输出到驱动电路单元第一输入端的信号同步，驱动电路单元将输入信号转换为正弦波输出至传感器探头，每次输出的波形相位都一致；本发明能够使每次发波的相位一致，振动幅度相同，振动时间由CPU控制和发波相位同步单元中的D触发器触发，达到振动时间相同；应用此驱动电路能保证超声波每次稳定发波，每次收波情况相同，大大提高了超声波液位计测量的精确度、稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于超声波脉冲驱动技术领域，特别是一种超声波可控式脉冲发波驱动电路及其驱动方法。
背景技术
超声波液位计是由微处理器控制的数字液位仪表，在测量过程中中超声波脉冲由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一传感器接收，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。
现有技术中，超声波液位计使用555振荡器单元产生固定频率的方波，再由CPU选通截取一定时间的方波驱动超声波传感器探头发波，这种方式不能保证每次截取的方波相位都是相同的，从而导致每次发波的发波特性不同，影响收波的稳定性，从而降低了测量结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波液位计发波驱动电路及其驱动方法，通过此驱动电路驱动超声波传感器探头可以使发波特性固定，这样在测量环境大体不变时，收波的质量也基本稳定，使收到的测量值稳定，可靠，真实。
为达到上述发明目的，本发明由以下技术方案实现：
一种超声波可控式脉冲发波驱动电路，包括CPU控制器单元、555振荡器单元、发波相位同步单元和驱动电路单元；
CPU控制器单元的一输出端连接至发波相位同步单元，555振荡器单元的输出端分别连接至发波相位同步单元和驱动电路单元，发波相位同步单元的一输出端连接至驱动电路单元，另一输出端连接至CPU控制器单元，驱动电路单元的输出端连接至超声波传感器探头；
发波相位同步单元包括一D触发器和一光电耦合器，D触发器的数据输入端连接至CPU控制器单元的输出端，D触发器的数据输出正端连接至光电耦合器的输入端，D触发器的时钟端连接至555振荡器单元的输出端，该555振荡器单元的输出端还连接至驱动电路单元的一第一输入端，驱动电路单元的一第二输入端连接至光电耦合器的输出端，D触发器的数据输出正端还连接至CPU控制器单元。
所为本发明的优选技术方案：
进一步的，前述的超声波可控式脉冲发波驱动电路，555振荡器单元包括一555振荡器，555振荡器的定时电路由两个定值电阻、一个电位器和一个电容串联组成，555振荡器的放电端连接至两个定值电阻的连接点，555振荡器的高触发端和低触发端均连接至电位器的动触点。
前述的超声波可控式脉冲发波驱动电路，驱动电路单元包括带电源端的反相器U10A~U10E，电阻R46~R50，开关管Q3~Q4、储能电容C40和变压器L4；
反相器U10B、U10C分别串联电阻R49、R50后并联，该并联电路串联在电阻反相器U10A的输出端和开关管Q4的输入端之间，反相器U10D、U10E分别串联电阻R47、R48后并联，该并联电路串联在电阻R46和开关管Q3的输入端之间，555振荡器单元的输出端经电阻R46连接至反相器U10A、U10D、U10E的输入端，光电耦合器的输出端连接至反相器U10A~U10E的电源端正极；
开关管Q3~Q4的被控集电极连接变压器L4初级线圈两端，发射极与储能电容C40负极共同连接电源地，变压器L4初级线圈公共端与储能电容C40正极共同连接电源24V。
本发明还设计了一种超声波可控式脉冲发波驱动电路的驱动方法， CPU控制器单元控制发波脉冲数量，当准备发波时，CPU控制器单元的输出端由低电平转为高电平；
当555振荡器单元输出端信号变为上升边沿，D触发器输出正端被触发为与CPU控制器单元的输出端相同的高电平，CPU控制器单元检测D触发器输出信号的状态，当检测到D触发器输出信号的上升沿跳变即开始累计555振荡器单元输出端信号的下降边沿，当CPU控制器单元计数到设定发波脉冲数后控制改变其输出为低电平，当555振荡器单元输出端信号下一个上升边沿时，D触发器输出正端被触发为与CPU控制器单元输出端信号相同的低电平，整个控制过程保证D触发器输出正端的跳变与555振荡器上升边沿同步；
D触发器的输出同时控制光电耦合器，光电耦合器的输出实现对驱动电路单元的使能控制，使能的边沿与555振荡器单元输出到驱动电路单元第一输入端的信号同步，驱动电路单元将输入信号转换为正弦波输出至传感器探头，每次输出的波形相位都一致。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
由于超声波液位计的发波特性不同会影响收波的稳定性，而发波特性包括超声波探头起振的相位、振动的幅度以及振动的时间，本发明的发波驱动电路使每次发波的相位一致，振动幅度相同，振动时间由CPU控制和D触发器触发，所以能达到振动时间相同；应用此驱动电路能保证超声波每次稳定发波，每次收波情况相同，大大提高了超声波液位计测量的精确度、稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明所设计的超声波可控式脉冲发波驱动电路的结构框图；
图2是本发明中555振荡器单元电路原理图；
图3是本发明中发波相位同步单元电路原理图；
图4是本发明中驱动电路单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明：
实施例一
如图1所示，本发明的超声波可控式脉冲发波驱动电路包括CPU控制器单元1、555振荡器单元2、发波相位同步单元3和驱动电路单元4，CPU控制器单元1的一输出端UL_SEND连接至发波相位同步单元3，555振荡器单元2的输出端W_SEND分别连接至发波相位同步单元3和驱动电路单元4，发波相位同步单元3的的一输出端连接至驱动电路单元4，另一输出端连接至CPU控制器单元1的一输入端UL_I_SEND，驱动电路单元4的输出端连接至超声波传感器探头5。
实施例二
如图2所示，555振荡器单元2由555振荡器U9（采用型号NE555DR）组成，其定时电路由两个定值电阻R37、R38，一个电位器VR2和一个电容C33顺次串联组成，555振荡器U9的放电端DIS（7脚）连接至两个定值电阻R37、R38的连接点，高触发端THR（6脚）和低触发端TRIG（2脚）均连接至电位器VR2的动触点，重置端R（4脚）和电源端VCC（8脚）连接+5V电源，控制端CVolt（5脚）经电容C34连接至地DGND，输出端Q（3脚）输出信号W_SEND；
调节电位器VR2控制信号W_SEND的输出周期，其周期：
f = 1.44/（R37+2*（R38+VR2））/C29 ；
根据附图所示电路的参数算出周期在6.48kHz~115.185kHz间调节。
如图3所示，发波相位同步单元3包括一D触发器U7A（采用型号HEF4013BT）和一光电耦合器PC1（采用型号TLP521-1GB），D触发器U7A的数据输入端D1（5脚）经电阻R42连接至CPU控制器单元1的输出端UL_SEND，UL_SEND信号用于控制D触发器U7A 的输出端Q1的状态，电阻R42和地DGND之间连接电阻R44，D触发器U7A的数据输出正端Q1（1脚）经电阻R43、R45连接至光电耦合器PC1的输入端（1脚），光电耦合器PC1的2脚接地DGND，4脚接+ 5V电源，4脚到地DGND之间并联电容C38、C39，光电耦合器PC1的输出端（3脚）输出信号SW，D触发器U7A的时钟端CP1（3脚）经电阻R39连接至555振荡器U9的输出端Q、D触发器U7A的CD1端（4脚）和SD1端（6脚）均接地DGND，电阻R43、R45的串联点连接电阻R41，电阻R41的另一端输出信号UL_I_SEND，该信号连接至CPU控制器单元1的输入端UL_I_SEND，CPU控制单元1检测到UL_I_SEND的上升沿跳变开始累计W_SEND信号的下降边沿，当CPU控制单元累计到设定好的脉冲数量时，改变其输出信号UL_SEND的状态，D触发器U7A触发到W_SEND信号的下一个上升边沿时结束控制，
信号W_SEND给D触发器U7A的时钟端CP1一个触发信号，CPU控制其输入端D1，根据如下HEF4013BT的真值表：
因为CD1、SD1始终是低电平L，此时Q1的输出受CP1上升边沿触发，触发后的输出Q1状态与CP1触发时D1的状态相同，从而使信号UL_I_SEND及光电耦合器PC1输入端的电平跳变与信号W_SEND的上升边沿同步。
如图4所示，驱动电路单元4包括带电源端的反相器U10A~U10E（采用型号SN74LS04DR，其14脚VCC端视为驱动电路单元4的第二输入端（即使能端），也即各反相器的电源端正极），电阻R46~R50，开关管Q3~Q4（型号TIP122）、储能电容C40和变压器L4，反相器U10B、U10C分别串联电阻R49、R50后并联，该并联电路串联在反相器U10A的输出端和开关管Q4的输入端之间，反相器U10D、U10E分别串联电阻R47、R48后并联，该并联电路串联在电阻R46和开关管Q3的输入端之间，555振荡器U9的输出端Q输出的信号W_SEND经电阻R46（电阻R46接收信号W_SEND的一端为驱动电源单元4的第一输入端）连接至反相器U10A、U10D、U10E的输入端，光电耦合器PC1的输出端输出的信号SW连接至SN74LS04DR的14脚VCC端，用于控制反相器SN74LS04DR的通断，开关管Q3~Q4的被控集电极连接变压器L4初级线圈两端，发射极与储能电容C40负极共同连接电源地，变压器L4初级线圈公共端与储能电容C40正极共同连接电源24V，光电耦合器的通断变化与信号W_SEND的上升边沿一致，从而控制两个开关管Q3，Q4的通断，经过变压器生成可以控制的正弦波由EXCIT端驱动超声波传感器探头，使每次输出的波形相位都是一致的。
CPU控制器单元采用CPU控制器控制发波脉冲数量，当准备发波时，CPU控制输出端UL_SEND由低电平转为高电平，当555振荡器输出端W_SEND信号变为上升边沿，D触发器U7A输出端Q1被触发与UL_SEND信号相同的电平（高电平），此时CPU控制单元也识别到D触发器输出信号UL_I_SEND的状态，当检测到UL_I_SEND的上升沿跳变开始累计W_SEND信号的下降边沿，当CPU控制器计数到设定发波脉冲数后控制改变UL_SEND信号为低电平，当555振荡器输出端W_SEND信号下一个上升边沿时，D触发器输出端Q1触发与UL_SEND信号相同的电平，为低电平，整个控制过程保证了D触发器输出端的跳变与555振荡器上升边沿同步，D触发器的输出端控制光电耦合器，完成对反向器U10的电源通断，通断的边沿恰好与555振荡器给反相器输入端电阻R46的信号W_SEND的信号同步，反相器将输入的W_SEND信号分成两路反向的信号，分别控制了三极管Q3~Q4的交替通断，控制变压器初级线圈的电流交替流过，经变压器放大电压后激励超声波探头发波。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超声波可控式脉冲发波驱动电路，其特征在于，包括CPU控制器单元（1）、555振荡器单元（2）、发波相位同步单元（3）和驱动电路单元（4）；
所述CPU控制器单元（1）的一输出端连接至发波相位同步单元（3），555振荡器单元（2）的输出端分别连接至发波相位同步单元（3）和驱动电路单元（4），发波相位同步单元（3）的一输出端连接至驱动电路单元（4），另一输出端连接至CPU控制器单元（1），驱动电路单元（4）的输出端连接至超声波传感器探头（5）；
所述发波相位同步单元（3）包括一D触发器和一光电耦合器，D触发器的数据输入端连接至CPU控制器单元（1）的输出端，D触发器的数据输出正端连接至光电耦合器的输入端，D触发器的时钟端连接至555振荡器单元（2）的输出端，该555振荡器单元（2）的输出端还连接至驱动电路单元（4）的一第一输入端，驱动电路单元（4）的一第二输入端连接至光电耦合器的输出端，D触发器的数据输出正端还连接至CPU控制器单元（1）。
2.根据权利要求1所述的超声波可控式脉冲发波驱动电路，其特征在于，所述555振荡器单元（2）包括一555振荡器，555振荡器的定时电路由两个定值电阻、一个电位器和一个电容串联组成，555振荡器的放电端连接至两个定值电阻的连接点，555振荡器的高触发端和低触发端均连接至电位器的动触点。
3.根据权利要求1所述的超声波可控式脉冲发波驱动电路，其特征在于，所述驱动电路单元（4）包括带电源端的反相器U10A~U10E，电阻R46~R50，开关管Q3~Q4、储能电容C40和变压器L4；
反相器U10B、U10C分别串联电阻R49、R50后并联，该并联电路串联在电阻反相器U10A的输出端和开关管Q4的输入端之间，反相器U10D、U10E分别串联电阻R47、R48后并联，该并联电路串联在电阻R46和开关管Q3的输入端之间，555振荡器单元（2）的输出端经电阻R46连接至反相器U10A、U10D、U10E的输入端，光电耦合器的输出端连接至反相器U10A~U10E的电源端正极；
开关管Q3~Q4的被控集电极连接变压器L4初级线圈两端，发射极与储能电容C40负极共同连接电源地，变压器L4初级线圈公共端与储能电容C40正极共同连接电源24V。
4.根据权利要求1所述超声波可控式脉冲发波驱动电路的驱动方法，其特征在于，CPU控制器单元（1）控制发波脉冲数量，当准备发波时，CPU控制器单元（1）的输出端由低电平转为高电平；
当555振荡器单元（2）输出端信号变为上升边沿，D触发器输出正端被触发为与CPU控制器单元（1）的输出端相同的高电平，CPU控制器单元（1）检测D触发器输出信号的状态，当检测到D触发器输出信号的上升沿跳变即开始累计555振荡器单元（2）输出端信号的下降边沿，当CPU控制器单元（1）计数到设定发波脉冲数后控制改变其输出为低电平，当555振荡器单元（2）输出端信号下一个上升边沿时，D触发器输出正端被触发为与CPU控制器单元（1）输出端信号相同的低电平，整个控制过程保证D触发器输出正端的跳变与555振荡器上升边沿同步；
D触发器的输出同时控制光电耦合器，光电耦合器的输出实现对驱动电路单元（4）的使能控制，使能的边沿与555振荡器单元（2）输出到驱动电路单元（4）第一输入端的信号同步，驱动电路单元（4）将输入信号转换为正弦波输出至传感器探头（5），每次输出的波形相位都一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 224700 No. 88 Jinglu High-tech Economic Zone, Jianhu County, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Box Technology Co.,Ltd. Address before: 224700 No. 88 Jingliu Road, Jianhu County, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee before: JIANGSU BOKESI AUTOMATIC CONTROL ENGINEERING Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A controllable ultrasonic pulse wave driving circuit and its driving method Granted publication date: 20170510 Pledgee: Bank of China Limited Jianhu Branch Pledgor: Jiangsu Box Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980010494 |