专利名称：一种微型超声波液位控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液位控制器，尤其涉及一种微型超声波液位控制器。
背景技术：
目前在液位电气控制方面主要采用以下几种技术方式I.接触式液位浮球开关，其工作原理利用浮球内的两组触点，在液位上升到一定高度时，使浮球内的滑块触点于重力作用下落到浮球底部的触点上使电路导通。反之在 液位下降到一定高度时，使浮球内的滑块触点于重力作用下落到浮球顶部的触点上使电路断开。2.机械式舌簧接点液位控制器，其工作原理利用套管上永磁铁的塑料浮子，在液位变化时沿套管上下移动，在磁场的作用下使舌簧接点，断开或闭合，实现电路通断控制。3.非接触式电磁液位控制器，其工作原理利用内外套管之间设置的上下两组线圈(每组线圈中内线圈为信号线圈，外线圈为激励线圈)。在加上线圈中心的铁芯与液面上的浮球柔性连接，当液位上升到一定高度时，铁芯在重力的作用下下降到下部线圈中，使线圈内部的磁通量增大，感应信号电压升高，经整流、放大后使自锁式继点器得电，控制电路导通。反之当液位下降到一定高度时，铁芯在浮球的重力作用下上升到上部线圈中，使线圈内部的磁通量增大，感应信号电压升高，经整流、放大后使自锁式继电器得电，控制电路断开。然而，上述三种主要的液位电气控制器均有一部分处于液体中，受液体的腐蚀，做不到真正意义上的非接触式液位控制器。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种与液体真正非接触式的微型超声波液位控制器。本发明是这样实现的，一种微型超声波液位控制器，其用于控制液面高度使该液面高度始终处于一预定范围内。该微型超声波液位控制器包括探头、控制仪以及将该探头与该控制仪电性连接的控制电缆。该探头包括由硅酮材料制作而成的防水隔板以及收容在该防水隔板内的且具有处理芯片的探头电路板，该控制仪包括外壳以及收容在该外壳内的且具有处理芯片的控制电路板。该探头电路板的处理芯片与该控制电路板的处理芯片之间 通过所述控制电缆直接访问。进一步地，该探头电路板包括信号处理电路、超声波放大电路以及超声波发射和接收电路，该探头电路板的处理芯片与该超声波发射和接收电路电性连接。进一步地，该超声波发射和接收电路包括超声波电路以及与该超声波电路电性连接的振荡电路。
进一步地，该超声波电路包括与该振荡电路电性连接的超声波元件。进一步地，该振荡电路包括中周、三极管Q11、第一电阻R15、第二电阻R122，该三极管Qll的基极经由该第一电阻R15连接于该控制电路板的处理芯片，该三极管Qll的发射极接地，该三极管Qll的集电极与该中周的控制端连接，该中周的输入端连接于该超声波放大电路，该中周的输出端以及该第二电阻R122连接于该超声波元件。进一步地，该超声波放大电路包括与该超声波发射和接收电路电性连接的限幅电路、以及与该限幅电路电性连接的交流运算放大电路，该交流运算放大电路还与该探头电路板的处理芯片电性连接。进一步地，该限幅电路包括第一二极管D11、第二二极管D12以及电阻R115，该第一二极管Dll的阳极经由该电阻R115连接至该超声波发射和接收电路以接收该超声波信号，该第一二极管Dll的阳极还连接于该交流运算放大电路，该第二二极管D12反相并联于该第一二极管DlI。进一步地，该控制电路板包括信号处理单元、以及与该信号处理单元电性连接的输入单兀与输出单兀，该信号处理单兀收容在该外壳内，该外壳包括控制面板，输入单兀以及输出单元设置在该控制面板上。 进一步地,该输出单元包括显示单元以及指示单元,该显示单元与该指示单元均与该信号处理单元电性连接。进一步地，该输入单元包括与信号处理单元电性连接的若干按键。本发明与现有技术相比，有益效果在于I.非接触式测量与控制，被测量液体酸、碱性对产品使用无直接影响。2.供、排液二类模式，四种方法，运用广泛，运行稳定。3.功耗低，运算极速稳定，电路结构简单而实用，全程温度补偿，测量误差修正，液位控制精准。4.通信方式独特，数据传送速度快，运算处理误差小，外围执行准确。5.微型超声波探头防水隔板使用自主研发硅酮材料制作，不影响声波的发射与接收，以及压电陶瓷振荡器也采用自主研发的新材料制作，二项部件功效具有国际水准。6.体积小，重量轻，操作简单，使用方便，设计合理，价格低廉，容易普及。
图I是本发明实施方式提供的微型超声波液位控制器的结构示意图。图2是图I中微型超声波液位控制器的模块结构示意图。图3是图I中微型超声波液位控制器的探头电路板的电路结构示意图。图4是图I中微型超声波液位控制器的控制电路板的电路结构示意图。图5是图3中I处的放大示意图。图6是图3中II处的放大示意图。符号说明微型超声波液位控制器100探头10控制仪20控制电缆30防水隔板11
探头电路板13电源电路130、221信号处理电路132超声波放大电路134
超声波发射和接收电路136电源Vcc电阻Rll R124、R21 R228电容Cll C113、C21 C27探头控制单元1320晶振电路1355控制芯片Ul 2晶体振荡器Y1、Y2超声波电路1362振荡电路1360超声波元件LS三极管Qll Q12、Q21 Q212限幅电路1340交流运算放大电路1342二极管D11 D12、D21 D211运算放大器U1A、U1B、U1C、U1D控制电路板22外壳24电源电路221信号处理单元223输入单元226输出单元228控制面板241显示单元225指示单元224位数码管DISP-1、DISP-2、DISP_3保险丝Fl变压器TR三端稳压器U21继电器K1、K2存储器U22移位寄存器U23控制芯片U24开关SI S具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的微型超声波液位控制器100的模块结构示意图，微型超声波液位控制器100用于控制液面高度使该液面高度始终处于一预定范围内。微型超声波液位控制器100包括探头10、控制仪20以及将探头10与控制仪20电性连接的控制电缆30。
请结合图2，探头10包括防水隔板11以及收容在防水隔板11内的探头电路板13。探头电路板13包括电源电路130、信号处理电路132、超声波放大电路134、以及超声波发射和接收电路136。电源电路130用于对探头10提供电源Vcc，信号处理电路132用于控制探头10的运行，超声波发射和接收电路136受控于控制仪20而做相应的发射超声波或接收超声波动作，超声波放大电路134用于将超声波发射和接收电路136接收的微弱的超声波信号放大到足够的信号幅度并送至信号处理电路132。请结合图3、图4、图5及图6，电源电路130包括电阻R11、电容C13、电容C14以及电容C15。电容C13的一端与控制电缆30连接以接收控制仪20传送的电源，电容C13的另一端电性接地，电阻Rll与电容C14串联后并联在电容C13上，电容C15与电容C14并联。在本实施方式中，电源电路130接收控制仪20通过控制电缆30传送来的电源+5V，经电阻Rll限流，电容C13、电容C14以及电容C15滤波后，供电给探头10的其它电路，如信号处理电路132、超声波放大电路134、以及超声波发射和接收电路136。信号处理电路132包括探头控制单元1320以及用于辅助探头控制单元1320运行的晶振电路1322。在本实施方式中，探头控制单元1320采用控制芯片U12，优选地为芯片STC11L04E。控制芯片U12的外围电路为晶振电路1322，其包括、电容C11、电容C12以及晶体振荡器Y。晶体振荡器Y提供时钟，芯片U12受控于控制仪20而发出脉冲，去推动超声波发射和接收电路136的运行，并接受超声波放大电路134送回的信号，芯片U12内部进行计算、换算等处理，最终将结果通过控制电缆30通信给控制仪20。超声波发射和接收电路136包括超声波电路1362以及振荡电路1360。超声波电路1362包括超声波元件LS、电阻R13、电阻R14、电容C16。振荡电路1360用于驱动超声波元件LS发射超声波，进入发射状态，且还用于驱动超声波元件LS由发射状态转回接收状态，检测超声波的回响信号。振荡电路1360包括中周T、三极管Q11、电阻R15、电阻R122。三极管Qll的基极经由电阻R15连接于控制电缆30而与控制仪20连接，三极管Qll的发射极接地，三极管Qll的集电极与中周T的控制端连接，中周T的电源端经由电源电路130的电容C15电性接地，中周T的输入端连接于超声波放大电路134，中周T的输出端连接于超声波元件LS，超声波元件LS还经由电阻R3连接于电源Vcc。超声波元件LS用于发射超声波或接收超声波。信号处理电路132的探头控制单元1320发出触发信号至三极管Q11，开启或断开三极管Q11。中周T的振荡，电阻R122的阻尼，使超声波元件LS发射超声波或接收超声波。超声波放大电路134包括限幅电路1340以及交流运算放大电路1342。限幅电路1340包括二极管D11、二极管D12以及电阻R115。交流运算放大电路1342包括四个运算放大器 U1A、U1B、U1C、U1D，电阻 R19，电阻 R111，电阻 R115，电阻 R116，电阻 R117，电阻 R118，电阻R119，电阻R124，电容C18，电容C19，电容C110，电容C111，三极管Q12。二极管D12反相并联于二极管D11，二极管Dll的阳极经由电阻R115连接至超声波元件LS，用于接收超声波元件LS接收的超声波信号，二极管Dll的阳极还经由电容C19连接于运算放大器UlD的反相端。运算放大器UlD的同相端连接于运算放大器UlC的同相端，运算放大器UlD的输出端经由电阻R118、电阻R119连接于运算放大器UlC的同相端，运算放大器UlD的输出端还经由电阻R123连接于运算放大器UlD的反相端，电容C113并联于电阻R123。运算放大器UlC的同相端还连接于运算放大器UlB的同相端，运算放大器UlC的反相端经由电容C110、电容Clll连接于运算放大器UlC的输出端，电阻R117并联于电容C110、电容C111，运算放大器UlD的输出端还经由电阻Rl 18连接于电容CllO与电容Clll之间。运算放大器UlC的输出端经由电阻R116、电容C18、电阻R19连接于运算放大器UlB的输出端，运算放大器UlB的反相端连接于电容C18与电阻R19之间，运算放大器UlB的同相端还经由电容C16电性接地。运算放大器UlB的的输出端经由电阻Rlll连接于运算放大器UlA的同相端，运算放大器UlA的同相端还经由电阻R124连接于控制仪20，运算放大器UlA的反相端经由电阻R120、电阻R122连接于超声波元件LS，且运算放大器UlA的反相端经由电阻R17连接至控制仪20，运算放大器UlA的反相端还经由电阻Rl 12电性接地，电容Cl 12并联于电阻R112，运算放大器UlA的电源端分别接电源Vcc以及经由电容C17电性接地，运算放大器UlA的接地端电性接地，运算放大器UlA的输出端经由电阻Rl 13连接至三极管Q12的基极。三极管Q12的发射极电性接地，三极管Q12的集电极经由电阻R16连接至电源Vcc。超声波元件LS发射超声波，经检测物体反射回波。超声波元件LS接收后，微弱的超声波信号经限幅电路1340的二极管D11、二极管D12、电阻R115限幅后，再经由交流运算放大电路1342的四个运算放大器U1A、U1B、U1C、UlD连续四级交流运算放大，运算放大器UlA输出，由三极管Q12送到探头控制单元1320。防水隔板11为最新研发的硅酮材料制作而成，不但能防止水汽蒸发进入最新研发的压电陶瓷材料制作超声波振荡器内，即能让声波发射出去并能让声波反射接收，同时还能让探头10做到小体积高精度。探头10直径为18毫米，高度为12. 5毫米，频率为40千赫兹，发射束角为10度，发射距离为4米，测量精度误差(液体)为10毫米，(固体)为I毫米，测量盲区< 250毫米。因此，此种超声波探头10具有体积小、发射束角小、发射频率低、发射距离远、测量精度高、测量盲区小等特点，已达到国际先进水平。控制仪20包括控制电路板22以及用于收容控制电路板22的外壳24。控制电路 板22包括电源电路221、信号处理单元223、输入单元226以及输出单元228。外壳24上设置有控制面板241，输入单元226、输出单元228设置在控制面板241上。电源电路221、信号处理单元223收容在外壳24内。输出单元228包括显示单元225以及指示单元224,显示单元225用于实时显示探头10的测量结果，指示单元224用于指示微型超声波液位控制器100的工作状态。探头11的测量结果包括上限液位、下限液位以及实时液位，微型超声波液位控制器100的工作状态包括供液与排液两种模式。在本实施方式中，显示单元225在本实施方式中采用数码管显示电路，其主要包括三个8位数码管DISP-1、DISP-2、DISP-3，十个三极管Q23 Q212以及十个限流电阻R212 R221。在信号处理单元223的掌控下，数码管DISP-3自动跟踪探头10测量结果并显示“实时液位”。同时，依不同的设置，十个三极管Q23 Q212的不同组合，在人为设置时，数码管DISP-I、DISP-2数码管动态扫描出“上限液位”和“下限液位”。指示单元224在本实施方式中为五个LED发光二极管D25 D29，分别表示“供液”、“排液”、“输出1”、“输出2”以及“信号指示灯”。“输出1”、“输出2”分别表示两台水泵50的工作状态。该控制电路板22还用于控制两个与其电性连接的水泵50，该两个水泵50用于对排水或进水使该液面高度始终处于该预定范围内，该两个水泵50的工作模式包括单控、双控、交换控以及差位控。输入单元226用于转换该微型超声波液位控制器的工作状态以及功能操作，该功能操作包括功能切换、设置参数、修改参数、校正误差。输入单元226包括若干按键2280，在 本实施方式中，其包括“模式”按键、“设置”按键、“ + ”按键以及按键。按一下“模式”键选择“供液”或“排液”功能。(相应指示灯亮)每按一下“模式”键功能会自动切换。按一下“设置”键选择“输出I”参数值输入，(相应指示灯亮)此时“上限液位”或“下线液位”，(相应数码管闪烁)选择“+”或键输入或修改参数值。每按一下键参数值变化10毫米，按着不动参数值连续增加或减少。参数值输入完成后，按一下“设置”键保存参数值并自动切换到下一个项目或是进入工作状态。项目参数值输入方法相同。长按“设置”键选择“输出2”参数值输入，(相应指示灯亮)参数值输入方法和“输出I”参数值输入方法相同。“实时液位”参数值输入，(相应数码管闪烁)输入的参数值是人工测量机坑底部到信号传感器工作面的距离数。设置方法和项目参数值输入方法相同。测量中如出现误差数字与显示数字有误差，可修改人工测量机坑底部到信号传感器到工作面的距离数。误差数大增加，误差数小减少标准参数。电源电路221主要包括保险丝F1、变压器TR、二极管D21 D24、电容C21 C24、电阻R23、三端稳压器U21。交流电220V，经变压器TR降压，二极管D21 D24整流，电容C21、C22滤波，产生12V的直流电。一路直供给继电器K1、K2，另一路再由三端稳压器U21(在本实施方式中采用三端稳压7805)降压为5V，向其它电路供电。信号处理单元223主要包括控制芯片U24(在本实施方式中选用控制芯片SN8P2604)，晶振元件Y2，移位寄存器U23(在本实施方式中选用芯片74HC 164)，存储器U22(在本实施方式中选用芯片24C02)，电容C25、C26，电阻R222、R223。晶振元件Y2，移位寄存器U23，存储器U22，电容C25、C26，电阻R222、R223构成控制芯片U24的外围电路。探头电路中，探头电路板10上的控制芯片STC11L04E处理的通信信号直接送到控制电路22的控制芯片SN8P2604。控制芯片SN8P2604是信息处理中心，具有可编程设定四种工作模式(正常、低速、睡眠、绿色)，工作温度为负20度至正70度，最高可达16兆高速时钟，与存贮器24C02进行信号状态的交换，与8位串入、并出的边沿移位寄存器74HC164交换数据；控制三极管Q21 Q212通断。控制电路板22中，以控制芯片SN8P2604为核心，探头电路板10中，以控制芯片STC11L04E为核心。抛弃以往通信方式，例RS-232C。将以往复杂的通信电路结构转变为简单实用，仅Trig(触发信号线)和Echo(回响信号线)即完成了信号处理的全部功能接收/发送、时序、SIO中断、数据校正、字节寻址、主从接收、数字计算、数值显不等。微型超声波液位控制器100的工作原理如下
(I)上电后，SN8P2604首先检测开关S1、S2、S3、S4的触发与否？同时调出存储器24C02上的上次记录设定的数据，经74HC164驱动输出，动态扫描数码管、显示“上限液位”、“下限液位”、“实时液位”，启动相应的发光二极管指示状态，分别为“供液”、“排液”两种模式及“输出1”、“输出2”显示。(2)接到控制板的直流5伏供电，模块电路自动复位，将正常工作状态信号反馈给控制板点亮“信号指示灯”。(3) SN8P2604经P2. 6发出一个IOUS的TTL触发信号，信号经5米屏蔽连接线送到STC11L04E的2脚、15脚发出8个40KHz周期电平，由Q12(S9013)与中周(7708)组成振荡电路，驱动探头发射声波，进入发射状态。(4)在内部程序的监管下，STC11L04E指令Q12极速发生翻转，超声波探头由发射状态转回接收状态，检测超声波的回响信号。一旦检测到有回波信号，信号经Dll、D12限幅，TL074的连续四级运算放大，后经Q12的倒相，送到STC11L04E的11脚，由MCU内核运算， 在3脚输出回响信号。SN8P2604的P2. 7接收到回响信号。此时，SEC 11L04E和SN8P2604进入接收状态。(5)回响电平输出与检测距离成比例。通过发射信号到接收回响信号的时间间隔进行计算得出距离。依公式US/58=厘米，将结果显示在“实时液位”数码管上。(6)计算结果，显示数据，一次测量完成。程序有接收状态转为发射状态，进入下一次测量，依次类推。微型超声波液位控制器100的操作过程(I)通电。按一下“模式”键选择“供液”或“排液”功能。(相应指示灯亮)每按一下“模式”键功能会自动切换。(2)按一下“设置”键选择“输出I”参数值输入，(相应指示灯亮)此时“上限液位”或“下线液位”，(相应数码管闪烁)选择“ + ”或键输入或修改参数值。每按一下键参数值变化10毫米，按着不动参数值连续增加或减少。参数值输入完成后，按一下“设置”键保存参数值并自动切换到下一个项目或是进入工作状态。项目参数值输入方法相同。(3)长按“设置”键选择“输出2”参数值输入，(相应指示灯亮)参数值输入方法和“输出I”参数值输入方法相同。(4) “实时液位”参数值输入，(相应数码管闪烁)输入的参数值是人工测量机坑底部到信号传感器工作面的距离数。设置方法和项目参数值输入方法相同。(5)测量中如出现误差数字与显示数字有误差，可修改人工测量机坑底部到信号传感器到工作面的距离数。误差数大增加，误差数小减少标准参数。综上所述，本发明提供的微型超声波液位控制器100具有以下有益效果I.非接触式测量与控制，被测量液体酸、碱性对产品使用无直接影响。2.供、排液二类模式，四种方法，运用广泛，运行稳定。3.功耗低，运算极速稳定，电路结构简单而实用，全程温度补偿，测量误差修正，液位控制精准。4.通信方式独特，数据传送速度快，运算处理误差小，外围执行准确。5.微型超声波探头防水隔板使用自主研发硅酮材料制作，不影响声波的发射与接收，以及压电陶瓷振荡器也采用自主研发的新材料制作，二项部件功效具有国际水准。
6.体积小，重量轻，操作简单，使用方便，设计合理，价格低廉，容易普及。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种微型超声波液位控制器，其特征在于，其用于控制液面高度使该液面高度始终处于一预定范围内，该微型超声波液位控制器包括探头、控制仪以及将该探头与该控制仪电性连接的控制电缆，该探头包括由硅酮材料制作而成的防水隔板以及收容在该防水隔板内的且具有处理芯片的探头电路板，该控制仪包括外壳以及收容在该外壳内的且具有处理芯片的控制电路板，该探头电路板的处理芯片与该控制电路板的处理芯片之间通过所述控制电缆直接访问。
2.如权利要求I所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该探头电路板包括信号处理电路、超声波放大电路以及超声波发射和接收电路，该探头电路板的处理芯片与该超声波发射和接收电路电性连接。
3.如权利要求2所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该超声波发射和接收电路包括超声波电路以及与该超声波电路电性连接的振荡电路。
4.如权利要求3所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该超声波电路包括与该振荡电路电性连接的超声波元件。
5.如权利要求4所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该振荡电路包括中周、三极管(Qll)、第一电阻(R15)、第二电阻(R122)，该三极管(Qll)的基极经由该第一电阻(R15)连接于该控制电路板的处理芯片，该三极管(Qll)的发射极接地，该三极管(Qll)的集电极与该中周的控制端连接，该中周的输入端以及该第二电阻(R122)连接于该超声波放大电路，该中周的输出端连接于该超声波元件。
6.如权利要求2所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该超声波放大电路包括与该超声波发射和接收电路电性连接的限幅电路、以及与该限幅电路电性连接的交流运算放大电路，该交流运算放大电路还与该探头电路板的处理芯片电性连接。
7.如权利要求6所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该限幅电路包括第一二极管(D11)、第二二极管(D12)以及电阻(R115)，该第一二极管(Dll)的阳极经由该电阻(R115)连接至该超声波发射和接收电路以接收该超声波信号，该第一二极管(Dll)的阳极还连接于该交流运算放大电路，该第二二极管(D12)反相并联于该第一二极管(Dll)。
8.如权利要求I所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该控制电路板包括信号处理单元、以及与该信号处理单元电性连接的输入单元与输出单元，该信号处理单元收容在该外壳内，该外壳包括控制面板，输入单元以及输出单元设置在该控制面板上。
9.如权利要求8所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该输出单元包括显示单元以及指示单元，该显示单元与该指示单元均与该信号处理单元电性连接。
10.如权利要求8所述的微型超声波液位控制器，其特征在于，该输入单元包括与信号处理单元电性连接的若干按键。
全文摘要
本发明涉及一种微型超声波液位控制器，其用于控制液面高度使该液面高度始终处于一预定范围内。该微型超声波液位控制器包括探头、控制仪以及将该探头与该控制仪电性连接的控制电缆，该探头包括防水隔板以及收容在该防水隔板内的且具有处理芯片的探头电路板，该控制仪包括外壳以及收容在该外壳内的且具有处理芯片的控制电路板。该防水隔板采用硅酮材料制作而成，该探头电路板的处理芯片与该控制电路板的处理芯片之间通过所述控制电缆直接访问。所述微型超声波液位控制器实现了与液体真正非接触式。
文档编号G05D9/12GK102662414SQ201210152059
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年7月7日
发明者刘家津 申请人:刘家津