CN105478965A - 一种程控触发器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种程控触发器及方法，霍尔电流传感器对焊机电流传感，输出电压传感信号；信号放大器对电压传感信号进行信号放大；施密特触发器对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；单片机捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；单片机调控数字电位器的抽头位置；输出脉冲电路将脉冲信号输出至外部高速相机；数字电位器根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制。相对现有技术，本发明运行稳定、阈值与前置放大倍数程控，能适应不同的焊接环境。

Description

一种程控触发器及方法

技术领域

本发明涉及电弧焊技术领域，特别涉及一种应用于电焊机捕捉电焊瞬间快照的程控触发器及方法。

背景技术

CO₂气体保护焊是目前焊接过程最常用的气体保护焊焊接方法之一，因其焊接过程成本低，质量易于控制，而被广泛应用。溶滴短路过渡焊是CO₂气体保护焊中常出现的一种溶滴过渡方式：电弧焊将焊丝端部加热融化，形成悬挂在焊丝端头的溶滴后，通过溶滴与工件上溶池的接触(即所谓短路)，而将焊丝融化金属过渡到焊缝中去。溶滴短路过渡焊过程的图像分析对提高焊接电弧稳定性、改善焊缝成型、减小金属飞溅、提高焊接质量和焊接生产率、实现焊接自动化有着深远的意义。由于在焊接过程中，短路过程进行得非常迅速，因此须借助于一个高速触发器来对高速相机的快门进行控制，以捕捉电焊瞬间快照。而在进行高速触发器的设计时，需要考虑电弧机的一些特性，如1、系统实时性较高，在电流达到目标条件时候触发器能尽可能低延迟的输出触发信号，供高速相机扑住焊点图像；2、由于电焊机实时性较高，电焊机每秒钟放电周期最高约250次，瞬间电流很大，峰值能达到1000A以上，所以在电流达到目标条件时候高速触发器应能尽可能低延迟的输出触发信号，供高速相机捕捉焊点图像；3、由于电焊机电磁场干扰较大，所以高速触发器具有较强的抗干扰能力。现有技术无法满足这些特性，所以有必要对这一问题进行解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种运行稳定、阈值与前置放大倍数程控，能适应不同的焊接环境的程控触发器及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种程控触发器，包括

霍尔电流传感器，用于对焊机电流传感，输出电压传感信号；

信号放大器，用于对电压传感信号进行信号放大；

施密特触发器，用于对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；

单片机，用于捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；还用于调控数字电位器的抽头位置；

输出脉冲电路，用于将脉冲信号输出至外部高速相机；

数字电位器，用于根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制。

本发明的有益效果是：霍尔电流传感器有很好的隔离作用，能保证控制电路不受焊机影响；通过单片机对施密特触发器输出方波信号进行计数，并输出最终触发信号；由于传感器信号输出信号为频带较宽的周期性信号，在实现上传感器输出增加滤波电路能提高电路稳定性，单片机通过SPI接口控制数字电位器，实现触发位置可调及程控放大；使用数字电位器调节施密特触发器正、反向阈值，通过调节运放负反馈数字电位器调节前级放大倍数，实现阈值与前置放大倍数程控，以适应不同的焊接环境。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述霍尔电流传感器为电压输出型霍尔电流传感器。

进一步，所述信号放大器包括运算放大器U2B、运算放大器U2C、电容C16、电容C18、数字可编程电位器U5B和电阻R16～R19；其中霍尔电流传感器的输出端经电容C18连接至运算放大器U2B的正向输入端；运算放大器U2B的正向输入端经电阻R19分别与运算放大器U2C的输出端和电阻R18的一端连接；运算放大器U2C的负向输入端与其输出端连接，其正向输入端分别与电阻R16的一端和电容C16的一端连接，所述电阻R16的另一端连接电源正极，所述电容C16的另一端接地，电阻R17与电容C16并联；数字可编程电位器U5B的中间接线端与运算放大器U2B的负向输入端连接，数字可编程电位器U5B的两端接线端的一端与电阻R18的另一端连接，两端接线端的另一端和运算放大器U2B的输出端连接，运算放大器U2B的输出端与施密特触发器的输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：信号放大器为交流同相放大电路，放大倍数通过数字可编程电位器调节，实现放大倍数1～21倍可调，实现阈值与前置放大倍数程控，以适应不同的焊接环境。

进一步，所述施密特触发器包括运算放大器U2A、数字可编程电位器U5D、数字可编程电位器U5C、数字可编程电位器U5E、电阻R20～R22，电容C19和稳压二极管D5；信号放大器的输出端经电阻R20连接运算放大器U2A的正向输入端；数字可编程电位器U5D的两端接线端分别连接电源正极和电源负极，数字可编程电位器U5D的中间接线端经电阻R22与运算放大器U2A的负向输入端连接；电容C19的两端分别与数字可编程电位器U5D的中间接线端和电源负极连接；数字可编程电位器U5C的一端接线端与运算放大器U2A的正向输入端连接，数字可编程电位器U5C的中间接线端与数字可编程电位器U5E的一端接线端连接，数字可编程电位器U5E的中间接线端与运算放大器U2A的输出端连接；运算放大器U2A的输出端经电阻R21连接至单片机的输入端；稳压二极管D5的阳极连接电源负极，其阴极连接在电阻R21和单片机之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：数字可编程电位器U5D对电源分压产生施密特触发器原点电压，数字可编程电位器U5C和数字可编程电位器U5E决定施密特触发器回差电压；施密特触发器有不同的阀值电压，通过运算放大器U2A实现正、负向阈值电压可调，保证能输出正确触发电平。

进一步，所述施密特触发器的正向阈值为

$V_{H+}=V_{ref}-\frac{(R_{U5C}+R_{U5E})*(V_{cc}-V_{ref})}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，Vcc为电源电压，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_H+为正向阈值。

进一步，所述施密特触发器的反向阈值为

$V_{L-}=V_{ref}*\frac{R_{20}+R_{U5C}+R_{U5E}}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_L-为反向阈值。

进一步，所述单片机为MSC-51系列单片机。

进一步，还包括数码显示管，所述数码显示管与所述单片机连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过数码显示管显示预设计数值，便于对预设计数值进行观测，及时了解本装置的运作状态。

进一步，还包括按键电路，所述按键电路与所述单片机连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过按键电路设置计数值，快捷方便。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种程控触发方法，包括以下步骤：

霍尔电流传感器对焊机电流传感，输出电压传感信号；信号放大器对电压传感信号进行信号放大；施密特触发器对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；单片机捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；输出脉冲电路将脉冲信号输出至外部高速相机；

单片机调控数字电位器的抽头位置；数字电位器根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制。

本发明的有益效果是：霍尔电流传感器有很好的隔离作用，能保证控制电路不受焊机影响；通过单片机对施密特触发器输出方波信号进行计数，并输出最终触发信号；由于传感器信号输出信号为频带较宽的周期性信号，在实现上传感器输出增加滤波电路能提高电路稳定性，单片机通过SPI接口控制数字电位器，实现触发位置可调及程控放大；使用数字电位器调节施密特触发器正、反向阈值，通过调节运放负反馈数字电位器调节前级放大倍数，实现阈值与前置放大倍数程控，以适应不同的焊接环境。

附图说明

图1为本发明一种程控触发器的模块框图；

图2为信号放大器的电路原理图；

图3为施密特触发器的电路原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、霍尔电流传感器，2、信号放大器，3、施密特触发器，4、单片机，5、输出脉冲电路，6、数字电位器，7、数码显示管，8、按键电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种程控触发器，包括

霍尔电流传感器1，用于对焊机电流传感，输出电压传感信号；

信号放大器2，用于对电压传感信号进行信号放大；

施密特触发器3，用于对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；

单片机4，用于捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；还用于调控数字电位器6的抽头位置；

输出脉冲电路5，用于将脉冲信号输出至外部高速相机；

数字电位器6，用于根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制；

霍尔电流传感器1向信号放大器输出电压信号，信号放大器2和施密特触发器3使输入信号放大，并通过模拟比较器整形成方波，使用单片机4计数并输出触发波形，对单片机4数字电位器6进行程序控制，调节施密特触发器正、反向阈值，通过调节运放负反馈数字电位器调节前级放大倍数，实现阈值与前置放大倍数程控，以适应不用的焊接环境。

优选的，所述霍尔电流传感器1为电压输出型霍尔电流传感器。

优选的，如图2所示，所述信号放大器2包括运算放大器U2B、运算放大器U2C、电容C16、电容C18、数字可编程电位器U5B和电阻R16～R19；其中霍尔电流传感器1的输出端经电容C18连接至运算放大器U2B的正向输入端；运算放大器U2B的正向输入端经电阻R19分别与运算放大器U2C的输出端和电阻R18的一端连接；运算放大器U2C的负向输入端与其输出端连接，其正向输入端分别与电阻R16的一端和电容C16的一端连接，所述电阻R16的另一端连接电源正极，所述电容C16的另一端接地，电阻R17与电容C16并联；数字可编程电位器U5B的中间接线端与运算放大器U2B的负向输入端连接，数字可编程电位器U5B的两端接线端的一端与电阻R18的另一端连接，两端接线端的另一端和运算放大器U2B的输出端连接，运算放大器U2B的输出端与施密特触发器3的输入端连接；

霍尔电流传感器1输出为-5V-5V双极性电压信号，输出电压大小根据电流大小线性变化；由于在应用中传感器输出偏置电压不定，频率较低乃至直流成分较多，为了能使施密特触发器3输出有效触发信号本电路使用交流耦合方式，且在传感器输出后加了一级同相比例放大电路进行增大输入阻抗和放大；使用单电源给运放供电，因此放大电路需要一个偏置电压，由于电流有极性，因此偏置电压取正电源电压的1/2，采用两个相同的电阻R16和电阻R17分压并且采用一级运算放大器跟随产生。

优选的，如图3所示，所述施密特触发器3包括运算放大器U2A、数字可编程电位器U5D、数字可编程电位器U5C、数字可编程电位器U5E、电阻R20～R22，电容C19和稳压二极管D5；信号放大器2的输出端经电阻R20连接运算放大器U2A的正向输入端；数字可编程电位器U5D的两端接线端分别连接电源正极和电源负极，数字可编程电位器U5D的中间接线端经电阻R22与运算放大器U2A的负向输入端连接；电容C19的两端分别与数字可编程电位器U5D的中间接线端和电源负极连接；数字可编程电位器U5C的一端接线端与运算放大器U2A的正向输入端连接，数字可编程电位器U5C的中间接线端与数字可编程电位器U5E的一端接线端连接，数字可编程电位器U5E的中间接线端与运算放大器U2A的输出端连接；运算放大器U2A的输出端经电阻R21连接至单片机4的输入端；稳压二极管D5的阳极连接电源负极，其阴极连接在电阻R21和单片机4之间；

经过前面放大阻抗匹配电路，输出信号为0～12V的交流电压信号，施密特触发器3有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器3采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器3有不同的阀值电压；由于输入信号幅度范围由不同焊机及焊丝决定，为保证能输出正确触发电平，设计施密特触发器采用单运放设计实现，且正、负向阈值电压可调。所以施密特触发器由数字可编程电位器U5D对电源分压产生触发器原点电压。为了保证触发器触发电平精度和输入阻抗，因此由数字可编程电位器U5C和数字可编程电位器U5E大小决定触发器回差电压。

优选的，所述施密特触发器的正向阈值为

$V_{H+}=V_{ref}-\frac{(R_{U5C}+R_{U5E})*(V_{cc}-V_{ref})}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，Vcc为电源电压，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_H+为正向阈值。

优选的，所述施密特触发器的反向阈值为

$V_{L-}=V_{ref}*\frac{R_{20}+R_{U5C}+R_{U5E}}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_L-为反向阈值。

优选的，所述单片机4为MSC-51系列单片机；

单片机使用P1.7输入施密特整形后的波形，P1.0输出计数后的触发脉冲，由74HC573进行输出缓冲并输出；用P0口利用IO口灌电流驱动四位数码显示管7段码，P3.4～P3.7口连接74HC573驱动数码显示管位选信号，两位共阳数码显示管7采用动态扫描方式显示；P3.1～P3.3口软件模拟SPI接口，控制数字电位器6抽头位置，系统计数预置值、放大倍率、施密特触发器3原点位置值、施密特触发器3回差电压值由P2.0～P2.5口接的按键电路8控制。

优选的，还包括数码显示管7，所述数码显示管7与所述单片机4连接，所述数码显示管7用于显示设定值。

优选的，还包括按键电路8，所述按键电路8与所述单片机4连接，所述按键电路8用于设置设定值。

一种程控触发方法，包括以下步骤：

霍尔电流传感器1对焊机电流传感，输出电压传感信号；信号放大器2对电压传感信号进行信号放大；施密特触发器3对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；单片机4捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；输出脉冲电路5将脉冲信号输出至外部高速相机；

单片机4调控数字电位器6的抽头位置；数字电位器6根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种程控触发器，其特征在于：包括

霍尔电流传感器(1)，用于对焊机电流传感，输出电压传感信号；

信号放大器(2)，用于对电压传感信号进行信号放大；

施密特触发器(3)，用于对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；

单片机(4)，用于捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；还用于调控数字电位器(6)的抽头位置；

输出脉冲电路(5)，用于将脉冲信号输出至外部高速相机；

数字电位器(6)，用于根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制。

2.根据权利要求1所述一种程控触发器，其特征在于：所述霍尔电流传感器(1)为电压输出型霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述一种程控触发器，其特征在于：所述信号放大器(2)包括运算放大器U2B、运算放大器U2C、电容C16、电容C18、数字可编程电位器U5B和电阻R16～R19；其中霍尔电流传感器(1)的输出端经电容C18连接至运算放大器U2B的正向输入端；运算放大器U2B的正向输入端经电阻R19分别与运算放大器U2C的输出端和电阻R18的一端连接；运算放大器U2C的负向输入端与其输出端连接，其正向输入端分别与电阻R16的一端和电容C16的一端连接，所述电阻R16的另一端连接电源正极，所述电容C16的另一端接地，电阻R17与电容C16并联；数字可编程电位器U5B的中间接线端与运算放大器U2B的负向输入端连接，数字可编程电位器U5B的两端接线端的一端与电阻R18的另一端连接，两端接线端的另一端和运算放大器U2B的输出端连接，运算放大器U2B的输出端与施密特触发器(3)的输入端连接。

4.根据权利要求1所述一种程控触发器，其特征在于：所述施密特触发器(3)包括运算放大器U2A、数字可编程电位器U5D、数字可编程电位器U5C、数字可编程电位器U5E、电阻R20～R22，电容C19和稳压二极管D5；信号放大器(2)的输出端经电阻R20连接运算放大器U2A的正向输入端；数字可编程电位器U5D的两端接线端分别连接电源正极和电源负极，数字可编程电位器U5D的中间接线端经电阻R22与运算放大器U2A的负向输入端连接；电容C19的两端分别与数字可编程电位器U5D的中间接线端和电源负极连接；数字可编程电位器U5C的一端接线端与运算放大器U2A的正向输入端连接，数字可编程电位器U5C的中间接线端与数字可编程电位器U5E的一端接线端连接，数字可编程电位器U5E的中间接线端与运算放大器U2A的输出端连接；运算放大器U2A的输出端经电阻R21连接至单片机(4)的输入端；稳压二极管D5的阳极连接电源负极，其阴极连接在电阻R21和单片机(4)之间。

5.根据权利要求4所述一种程控触发方法，其特征在于，所述施密特触发器的正向阈值为

$V_{H+}=V_{ref}-\frac{(R_{U5C}+R_{U5E})*(V_{cc}-V_{ref})}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，Vcc为电源电压，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_H+为正向阈值。

6.根据权利要求4所述一种程控触发方法，其特征在于，所述施密特触发器的反向阈值为

$V_{L-}=V_{ref}*\frac{R_{20}+R_{U5C}+R_{U5E}}{R_{20}}$

其中V_ref为数字可编程电位器U5D的电压，R_U5C为数字可编程电位器U5C的阻值，R_U5E为数字可编程电位器U5E的阻值，R₂₀为电阻R₂₀的阻值，V_L-为反向阈值。

7.根据权利要求1所述一种程控触发器，其特征在于：所述单片机(4)为MSC-51系列单片机。

8.根据权利要求1至7任一项所述一种程控触发器，其特征在于：还包括数码显示管(7)，所述数码显示管(7)与所述单片机(4)连接，所述数码显示管(7)用于显示设定值。

9.根据权利要求1至7任一项所述一种程控触发器，其特征在于：还包括按键电路(8)，所述按键电路(8)与所述单片机(4)连接，所述按键电路(8)用于设置设定值。

10.一种程控触发方法，其特征在于，包括以下步骤：

霍尔电流传感器(1)对焊机电流传感，输出电压传感信号；信号放大器(2)对电压传感信号进行信号放大；施密特触发器(3)对放大后的电压传感信号进行处理，触发生成方波信号；单片机(4)捕获方波信号的上升沿和下降沿，并进行计数，当计数值达到设定值，生成脉冲信号；输出脉冲电路(5)将脉冲信号输出至外部高速相机；

单片机(4)调控数字电位器(6)的抽头位置；数字电位器(6)根据调控后的抽头位置调节施密特触发器正、反向阈值，对阈值与前置放大倍数进行程序控制。