CN201083517Y - 步进电机驱动的液位表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种步进电机驱动的液位表，包括与液位传感器电连接的基准电压模块，为液位传感器提供稳定可靠的工作电压；电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，将液位传感器输出的信号经放大整形以符合电控模块采样要求；与电控模块输出端电连接的电机驱动模块，用于将电控模块输出的电信号放大后输出到与液位表指针连接的步进电机；一用于将电控模块输出的电压信号作远程传输的信号转换模块，信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接；电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口焊接。本实用新型整体线性度以及稳定性好，分段线性调整方法简单，具有数据远程传输能力。

Description

步进电机驱动的液位表

技术领域

本实用新型涉及一种检测汽车发动机油箱油量的液位表，具体涉及一种步进电机驱动的液位表。

背景技术

目前，汽车发动机的油箱油量的液位指示一般采用十字线圈驱动指针的液位表，或者LED显示的仪表。这些仪表主要有以下确定：1.LED显示的仪表不符合使用者已经形成的习惯，很多发动机厂商不采用LED显示的仪表。2.十字线圈采用游丝作为阻尼和回零，由于游丝具有典型的非线性，使所指示液位值在刻度盘上为非线性，该非线性修正困难，导致液位表整体线性度差。并由于十字线圈驱动指针的液位表的刻度线采用非线性刻度来适应其非线性特性，不适合人们的线性思维方式；且液位表通过十字线圈的游丝驱动指针复位，由于游丝作往复运动，会降低其弹性和使用寿命，最终导致整个仪表使用寿命短，在恶劣的发动机环境下其寿命更短。此外，以上两种液位表的液位传感器需进行分段线性调整(即零点、半满度和满度调整)对液位表进行校正，调整时一般采用电位器手动进行调试，这种方式需要反复调试才能达到相应的精度要求，调试过程非常麻烦，调试精度和重复性也较差；而且调试时间一般大于30分钟/台，随着时间的推移参数发生变化，容易导致零点和满度飘移，以及线性度发生变化。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种步进电机驱动的液位表，它整体线性度以及稳定性好，分段线性调整方法简单，并且具有数据远程传输能力。

本实用新型的目的是这样来实现的：一种步进电机驱动的液位表，包括电控模块、以及用于检测发动机油箱油量的液位变化并将该变化转换为电信号发出的液位传感器，还包括与液位传感器电连接的基准电压模块，该基准电压模块为液位传感器提供稳定可靠的工作电压；以及电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，将液位传感器输出的信号经放大整形以符合电控模块采样要求；以及与电控模块输出端电连接的电机驱动模块，用于将电控模块输出的电信号放大后输出到与液位表指针连接的步进电机；以及一用于将电控模块输出的电压信号作远程传输的信号转换模块，信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接；电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口焊接。

采用了上述方案，与液位传感器电连接的基准电压模块中包含一个三端可调分流基准源，该三端可调分流基准源具有良好的热稳定性能以及去耦性能，可为液位传感器提供稳定可靠的工作电压，加强电路稳定性。电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，信号放大整形模块中一级运算放大器信号输出引脚通过反馈电阻与其电阻一端连接，通过该电阻能够对传感器输出信号自动进行线性修正，以减小传感器输出电压在工作范围内相对于理想拟合直线的偏差，使液位表的线性度可以提高到0.2％以内。

电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口焊接，由于液位传感器表现为电阻变化，采用标准电阻箱代替电位器，将输入端与标准电阻箱(精度为0.01欧姆)连接，由电控模块对当前零点或满度对应的电压采样，通过电控模块内部预置的程序自动修正，实现零点、半满度和满度的分段线性调整。本新用新型分段线性调整简单，零点或半满度或满度调整时间均小于2分钟，并还可以减少人工操作时间和元件的参数不一致带来的误差，能够确保调整精度。

信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接，可将电控模块输出的信号放大，该输出电压信号作为远程传输到发动机其它单元的输入信号。

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型步进电机驱动的液位表的电路框图；

图2为本实用新型优选实施例的电源模块的具体电路结构图；

图3为本实用新型优选实施例的表盘背光指示模块的具体电路结构图；

图4为本实用新型优选实施例的基准电压模块的具体电路结构图；

图5为本实用新型优选实施例的液位传感器与信号放大整形模块连接的具体电路结构图；

图6为本实用新型优选实施例的电机驱动模块与电控模块连接的具体电路结构图；

图7为本实用新型优选实施例的信号转换模块的具体电路结构图。

具体实施方式

参照图1至图7，本实用新型的步进电机驱动的液位表，包括电控模块、以及用于检测发动机油箱油量的液位变化并将该变化转换为电信号发出的液位传感器，与液位传感器电连接的基准电压模块，该基准电压模块为液位传感器提供稳定可靠的工作电压；以及电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，将液位传感器输出的信号经放大整形以符合电控模块采样要求；以及与电控模块输出端电连接的电机驱动模块，用于将电控模块输出的电信号放大后输出到与液位表指针连接的步进电机；以及一用于将电控模块输出的电压信号作远程传输的信号转换模块，信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接；电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口焊接。

参照图1及图2，汽车蓄电池的输出电压VBAT直接与电源模块连接，VBAT的电压值为12V。电源模块为一个三端式可调集成稳压器IC5，IC5采用MC78M05BDT型芯片。VBAT通过二极管D1与IC5的输入引脚1连接，通过二极管D1的单向电性，可防止电源接反后烧毁仪表。二极管D1的阴极引出一12V的电压V1。滤波电容C3、C4并联在IC5的引脚1与地之间，以保证电路在受到脉冲干扰仍时能使IC5输出稳定电压。IC5的引脚4与地连接。汽车蓄电池的输出电压VBAT经IC5处理后，从IC5的引脚3输出一个5V的稳定电压VCC。电解电容C1及C2连接在三端式可调集成稳压器IC5的引脚3与地之间，电解电容C1及C2用于储能，当电源断电后，可以保证电控模块保存相应数据和步进电机复位时所需要的能量，使得停电后有足够的能量使步进电机驱动压力表指针回到零刻度。电源模块通过输出支路分别与电控模块、信号放大整形模块、表盘背光指示模块、电机驱动模块以及信号转换模块连接，分别向各电路单元提供所需电源。

参照图1及图3，液位表的表盘背光指示电路由并联的三条并联的支路组成，支路一由电阻R1串联发光二极管D2、D3构成，支路二由电阻R2串联发光二极管D5、D6构成，支路三由电阻R3串联发光二极管D7、D8构成。各发光二极管以均布形式安装在表盘上，电阻R1、R2、R3为各自所在支路起限流作用。表盘背光指示电路一端通过二极管D4与地连接，另一端与VBAT连接。

参照图1、图4，与液位传感器电连接的基准电压模块，该基准电压模块为液位传感器提供稳定可靠的工作电压。基准电压模块中包含一个三端可调分流基准源IC3，其采用TL431ALCP型芯片，该种芯片内部含有一个Vref(2.5V)的基准电压。三端可调分流基准源的引脚2通过限流电阻R16与电源V1连接，电阻R16起限制电流的作用，最大电流为(12V-5V)/0.82K＝9mA；IC3的引脚3与地连接，引脚2通过串联的两个电阻R21、R29与引脚3连接，其反馈输入引脚1通过电阻R29与地连接。由于三端可调分流基准源IC3从其引脚1引入输出反馈，其可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压，其输出电压V2＝(1+R21/R29)Vref。选择不同的R29和R21的值可以得到从2.5V到36V范围内的电压输出，本实用新型中的电阻R29与R21相等，使V2＝5V。

参照图1及图5，电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，将液位传感器输出的信号经放大整形以符合电控模块采样要求。液位传感器采用压力式液位传感器，液位传感器将检测到的发动机油箱油量的液位变化转换为电信号发出。液位传感器通过连接器JP2与电阻R25、R26、R36连接，组成三线制测量路将发动机油箱油量的液位变化的信号输出，液位传感器连接到JP2的1、4脚之间，并把JP2的1、3脚短接，这样可以去除导线电阻带来的零点误差。电阻R25和R26的阻值远大于R36和传感器的阻值，为传感器提供大约1mA的电流，该稳定的电流将电阻的变化转换为电压。连接器JP2的引脚2与V2连接，即液位传感器的工作电压由基准电压模块输出的V2供电。信号放大整形模块包括一级运算放大器U6A以及二级运算放大器U6B，一级运算放大器的同相输入引脚3及反相输入引脚2分别通过电阻R30、R33与液位传感器输出端连接，一级运算放大器信号输出引脚1通过反馈电阻R22与电阻R30一端连接，一级运算放大器信号输出引脚通过电阻R31与二级运算放大器的同相输入引脚5连接，二级运算放大器反向输入引脚6通过电阻R41与地连接，二级运算放大器输出引脚7通过电阻R32与电控模块的引脚41连接。

参照图1及图6，与电控模块U4输出端电连接的电机驱动模块，用于将电控模块输出的电信号放大后输出到与液位表指针连接的步进电机。电控模块U4采用68HC908LJ12型芯片，电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口H2焊接，H2在电路板上为两个孔。电控模块的引脚27、31、38分别对应与连接器JP1的C1、IR、A1引脚连接，其引脚32、37、39、52分别对应与连接器JP1的RE、A0、A2、OS引脚连接。电控模块接收到放大整形模块的电压信号后，通过其内部的A/D转换器为将该信号转换为数字信号，由于步进电机M1的运行时需要较大电流，电控模块无法直接驱动步进电机，因此，电控模块通过电机驱动模块与步进电机连接，通过电机驱动模块将电控模块输出的电流放大，提供与液位表盘指针连接的步进电机，步进电机驱动指针转动以指示当前油箱油量的液位情况。电机驱动模块由四个与非门U3A、U3B、U3C、U3D构成，各与非门均采用MC74ACT08芯片。与非门U3A、U3B、U3C、U3D的输入端分别对应与电控模块的引脚59、58、46、45连接，输出端分别对应与步进电机的接线端4、1、2、3连接。

参照图1及图7，用于将电控模块输出的电压信号作远程传输的信号转换模块，信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接。信号转换模块包括与电控模块SPI输出接口连接的D/A转换器U1以及运算放大器U2A。电控模块U1的SPI接口由其引脚25、17、29、26组成，D/A转换器U1的引脚1、2、3、4分别对应与电控模块的引脚25、17、29、26连接。D/A转换器U1为一个10位数模转换器，其将电控模块的SPI接口输出的10位数字信号转化为0.4V-2.0V的电压信号。D/A转换器U1采用TLC5615型芯片，D/A转换器U1的引脚5与地连接，其引脚6为反馈输入端，其引脚8与VCC连接，其引脚7通过电阻R5与运算放大器U2A的同相输入引脚3连接。运算放大器U2A的同相输入引脚还通过电容C10与地连接，其反相输入引脚2通过电阻R9与地连接，其输出引脚1通过并联在一起的电阻R10、C17与反相输入引脚2连接，运算放大器U2A的放大倍数为：1+R10/R9，其中电阻R9为10K，R10为15K，因此，运算放大器U2A的放大倍为2.5倍。运算放大器U2A的输出引脚1与连接器H1连接，通过连接器H1将电压信号分为多路远程输出。

本实用新型的液位表采用分段线性调整，即分为零点调整、半满度调整以及满度调整三个过程。其中本实用新型对液位表进行零点调整的过程为：把输入端(连接器JP2的1、4端)与标准电阻箱(精度为0.01欧姆)连接，调整电阻箱的值，使其数值大小为零点时对应的电阻值，将接口H2的2脚(H2的2脚为通过导线与电控模块引脚11连接的过孔)用导线短接到地，电控模块立即对当前零点对应的电压采样，作为液位表的初始零点，以扣除零点的电压偏差，以对零点自动进行调整。

本实用新型对液位表进行半满度校正的过程为：将输入端(JP2的1、4端)标准电阻箱(精度为0.01欧姆)连接，调整电阻箱的值，使其数值大小为半满度时对应的电阻值；将连接器JP1的A0脚(连接器JP1的A0引脚在电路板板上表现为过孔)与地连接，电控模块立即采集对当前半满度对应的电压采样，采样信号通过电控模块内部预置的程序，以对半满度的电压偏差自动进行修正。

本实用新型对液位表进行满度调整的过程为：把输入端(连接器JP2的1、4端)与标准电阻箱(精度为0.01欧姆)连接，调整电阻箱的值，使其数值大小为满度时对应的电阻值；将接口H2的1脚(H2的1脚为通过导线与电控模块引脚12连接的过孔)用导线短接到地，电控模块立即对当前满度对应的电压采样，作为液位表的满度，电控模块通过其内部预置程序运算时，把此电压作为最高点电压，以对满度自动进行调整。

本实用新型工作时，液位传感器将检测发动机油箱油量的液位变化转换为电压信号发出，该电压信号通过信号放大整形模块的一级运算放大器U6A构成的差分放大电路，将电压信号放大到1V左右；  再通过二级运算放大器U6B构成的放大电路放大3倍，得到0-5V范围内的电压信号。二级运算放大器U6B通过限流电阻R32将电压信号送到电控模块U4的引脚41(ADIN端)。该电压信号首先被送到电控模块U4内部的A/D转换器，对输入的模拟电压进行采样量化，采样得到的数据通过软件算法转化为步进电机的数字信号，通过各输出引脚分别送往电机驱动模块和信号转换模块。其中电机驱动模块对上述电控模块输出的数字信号进行放大，并输出到步进电机M1的线包，步进电机M1带动液位表表盘上的指针旋转，在线性刻度盘上指示当前发动机油箱油量的液位。信号转换模块通过D/A转换器将电控模块输出数字信号转换成0.4V-2V的模拟电压信号，并通过运算放大器U2A将模拟电压信号放大为1V-5V的电压信号输出，该输出电压信号作为远程传输到发动机其它单元的输入信号。

本实用新型用于某部队的军用加油车上，实现了发动机油箱的油位数据的远程传输和液位线性指示，并一次性通过相应的军用试验，满足其野外作业的高可靠性。该温度仪表的线性度高于某部的参数要求，输出1V-5V在用于PLC对其进行采集精度完全满足要求，传输的数据稳定可靠。

Claims (5)

1.一种步进电机驱动的液位表，包括电控模块、以及用于检测发动机油箱油量的液位变化并将该变化转换为电信号发出的液位传感器，其特征在于：还包括与液位传感器电连接的基准电压模块，该基准电压模块为液位传感器提供稳定可靠的工作电压；以及电连接于电控模块与液位传感器之间的信号放大整形模块，将液位传感器输出的信号经放大整形以符合电控模块采样要求；以及与电控模块输出端电连接的电机驱动模块，用于将电控模块输出的电信号放大后输出到与液位表指针连接的步进电机；以及一用于将电控模块输出的电压信号作远程传输的信号转换模块，信号转换模块与电控模块的SPI输出接口电连接；电控模块的11脚及12脚经导线引出分别与电路板上设置的两个用于满度调整或零点调整接口焊接。

2.根据权利要求1所述的步进电机驱动的液位表，其特征在于：所述基准电压模块中包含一个三端可调分流基准源IC3，该三端可调分流基准源引脚2通过限流电阻R16与电源连接，其引脚3与地连接，引脚2通过串联的两个电阻R21、R29与引脚3连接，其反馈输入引脚1通过电阻R29与地连接。

3.根据权利要求1所述的步进电机驱动的液位表，其特征在于：所述信号放大整形模块包括一级运算放大器U6A以及二级运算放大器U6B，一级运算放大器的同相输入引脚3及反相输入引脚2分别通过电阻R30、R33与液位传感器输出端连接，一级运算放大器信号输出引脚1通过反馈电阻R22与电阻R30一端连接，一级运算放大器信号输出引脚通过电阻R31与二级运算放大器的同相输入引脚5连接，二级运算放大器反向输入引脚6通过电阻R41与地连接，二级运算放大器输出引脚7通过电阻R32与电控模块的引脚41连接。

4.根据权利要求1所述的步进电机驱动的液位表，其特征在于：电机驱动模块包括四个与非门U3A、U3B、U3C、U3D，与非门U3A、U3B、U3C、U3D的输入端分别对应与电控模块的引脚59、58、46、45连接，各与非门均采用MC74ACT08芯片。

5.根据权利要求1所述的步进电机驱动的液位表，其特征在于：所述的信号转换模块包括与电控模块SPI输出接口连接的D/A转换器U1以及运算放大器U2A，运算放大器U2A的同相输入引脚3通过电阻R5与D/A转换器输出引脚7连接，其同相输入引脚还通过电容C10与地连接，其反相输入引脚2通过电阻R9与地连接，其输出引脚1通过并联在一起的电阻R10、C17与其反相输入引脚2连接。

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