专利名称：步进电机驱动的温度表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种汽车温度表，具体涉及一种检测机油温度的步进电机 驱动的温度表。
技术背景以前，柴油发动机的机油温度检测一般采用机械式温度表，或十字线圈驱动指针的温度表，或者LED显示的仪表。这些仪表主要有以下确定l.机械式 温度表不但无法进行远程数据传输，而且对于传感器输出电压在工作温度范围 内相对于理想拟合直线的偏差很大，致使其线性度差；另外机械式温度表工作 过程中机械磨损较大，使用寿命短；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，使所指示温度值在刻度盘上为非线性，该非线性修 正困难，导致温度表整体线性度差，由于十字线圈驱动指针的温度表的刻度线 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，温度表通 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；3. 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 温度表。此外，以上三种温度表的线性调整和零点、满度调整一般采用电位器 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。 实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种步进电机驱动的温度表，它整体线性度 好，仪表电流输出稳定，具有数据远程传输能力，并且零度和满度的调整方法 简单。本实用新型的目的是这样来实现的 一种步进电机驱动的温度表，包括单片机、以及用于采集汽车发动机机油温度的热电阻传感器，还包括一个与电源连接的电压基准电路；以及一个电连接在单片机与电压基准源之间的信号处理 放大电路，信号处理放大电路将热电阻传感器的变化量转化为电压信号并经放 大后输入到单片机内进行处理；以及将单片机处理的输出信号放大后输出到步 进电机的电机驱动电路，电机驱动电路电连接在单片机与步进电机之间；以及 一用于将单片机输出的电压信号转换成电流信号的线性转换电路，线性转换电 路与单片机的SPI输出接口电连接；单片机的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，信号处理放大电路电连接在单片机与热电阻传感器之间， 信号处理放大电路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，电阻用于传感器的线性修正，减小传感器输出电压在工作温度范围内相 对于理想拟合直线的偏差，在输入级经信号处理放大电路修正并通过单片机处 理后，温度表的线性度可以提高到0.2%以内。电机驱动电路电连接在单片机与 步进电机之间，通过电机驱动电路将单片机输出信号放大，可确保步进电机工 作可靠性。线性转换电路与单片机的SPI输出接口电连接，用于将单片机输出的电压 信号转换成电流信号的线性转换电路，通过线性转换电路，可将单片机处理的 电压信号转换为4-20mA的电流信号输出，作为热电阻传感器温度信号的远程传 输，并送到发动机的其它单元作为这些单元的信号输入。电阻通过稳压二极管 与稳压电源连接，由于线性转换电路中二级运算放大器允许输入的共模电压为 电源电压-l. 5V，通过稳压二极管可使二级运算放大器最大共模电压为-3. 3V， 稳压二极管保证线性转换电路的可靠性和稳定输出。单片机的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，由于热电阻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. Ol欧姆)连接，通过满度调整 或零点调整接口，由单片机对当前零点或满期度对应的电压采样，通过单片机 内预置的程序自动修正，实现对温度表零点或满度的调整。因此，本实用新型零点调整和满度调整简单，而且整个调整时间小于2分钟，并且可以减少人工 操作时间和元件的参数不一致带来的误差，确保调整精度。电压基准电路中包含一个三端可调分流基准源，三端可调分流基准源不仅 具备温度补偿温度系数低性，并且具有良好的热稳定性能以及去耦性能，可为 信号处理放大电路中的电桥电路提供标准基准源，加强电路稳定性。此外，三 端可调分流基准源典型动态阻抗为0. 2Q,在很多应用中可以用它代替齐纳二极 管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。三端可调分 流基准源内部含有一个2. 5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器 件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。该实用新型在野外加油车上进行测试试验， 一次性地通过相应的试验，实 现了数据的远程传输和温度线性指示，满足其野外作业的高可靠性。该溫度仪 表的线性度高于测试中的野外作业的参数要求，输出4-20mA在用于PLC对其进 行采集，精度完全满足要求，并且传输的数据稳定可靠。该仪表电路适合采用 PTIOO、 CU50以及热电阻为温度传感器的仪表。
以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。对于 所属技术领域的技术人员而言，从对本实用新型的详细说明中，本实用新型的 上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
图1为本实用新型步进电机驱动的温度表的电路框图； 图2为图1中的稳压电源的电路示意图； 图3为图1中的表盘背光指示电路示意图； 图4为图1中的信号处理放大电路的示意图； 图5为图1中的电压基准电路的示意图； 图6为图1中的电机驱动电路与单片机连接的电路示意图； 图7为图1中的线性转换电i 各的示意图。
具体实施方式
参照图1，本实用新型的步进电机驱动的温度表，包括单片机、以及用于采集汽车发动机机油温度的热电阻传感器，还包括一个与电源连接的电压基准电路；以及一个电连接在单片机与电压基准源之间的信号处理放大电路，信号处 理放大电路将热电阻传感器的变化量转化为电压信号并经放大后输入到单片机 内进行处理；以及将单片机处理的输出信号放大后输出到步进电机的电机驱动 电路，电机驱动电路电连接在单片机与步进电机之间；以及一用于将单片机输 出的电压信号转换成电流信号的线性转换电路，线性转换电路与单片机的SPI 输出接口电连接；单片机的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l及图2,本实用新型的步进电机驱动的温度表，汽车蓄电池的输出 电压VBAT电压范围在20V到28V之间，通过导线分别与稳压电源以及背光指示 电路连接。稳压电源中的二极管Dl阳极与VBAT连接，二极管Dl阴极引出一电 源V3，该电源的电压为24V。 二极管Dl阴极与电阻R1连接，电阻M与电容C2 以及电解电容C3构成限流滤波电路，限流滤波电路通过电阻R1限制电源供电 电流，同时由电容C2、电解电容C3滤除高次谐波，〗吏稳压电源具备承受群脉冲 干扰的性能，以及电瞬变传导的抗扰性。电阻R1的另一端与稳压器IC1的输入 引脚3连接，稳压器IC1、电阻R2、 R3、 R4、电容C4组成稳压电路，稳压器IC1 采用的型号为LM317LH。汽车蓄电池输出的电压经过稳压电源限流滤波以及稳压 后，由稳压器IC1的2脚将稳定的电压VCC输出。由图中所给出的元件参数可 以计算出稳压电源的输出电压为VCC=1. 25V(1十(R3〃R4) /R2+Iadj*R2由于IC1的调节电流很小，忽略Iadj的影响，则电路的输出值近似为 VCC=1.25V(1+ (R3//R4) /R3) 由R3=1.5k, R4=20K， R2=470 则VCC=5. OIV。稳压器IC1的2脚连接的电解电容C1及C21用于储能，当电源断电后，可 以保证单片机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温度表指针回到零刻度。稳压电源通过输出支路分别与单片机、电压基准电路、信号处理放大电路、表盘背光指示电路、电机驱动 电路以及线性转换电路连接，向各电路单元提供所需电源。参照图l及图3,温度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R5串联发光二极管D3、 D4构成，支路二由电阻R6串联发光二极 管D5、 D6构成，支i 各三由电阻R7串联发光二极管D7、 D8构成，电阻R5、 R6、 R7为各自所在支路起限流作用。表盘背光指示电路一端与V3连接，另一端通过 二极管D2与地连接。为保证发光二极管的亮度变化不大，本实用新型中减少发 光二极管的串联个数增大限流电阻的阻值，使电流受电压影响的减小，如R5、 D3、 D4组成的支路中电流大小为(V3-VD3-VD4) /R5= (24V-3. 4V) /4. 7K-5mA, 当电源电压变化为28V时电流约为5. 5mA，当电源电压变^:为20V时电流约为 4. 5mA，整个电流随电压的变化在士O. 5mA以内，保证了发光二极管的亮度变化 满足要求。参照图1及图5， 一个与电源电连接的电压基准电路，电压基准电路中包 含一个三端可调分流基准源，三端可调分流基准源为TL431ACLP芯片。该三端 可调分流基准源的引脚1与地连接，其引脚3通过电阻R8与稳压电源的抽头V3 连接，其引脚1还通过串联的两个电阻R16、 R9与引脚3连接，作为采集反馈 信号的电阻R16 —端与三端可调分流基准源的引脚2连接。电压基准电路输出 5V的电压V2。 TL431ACLP的内部含有一个2. 5V的基准电压，当在其引脚2(REF 端)引入输出反馈时，使其可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出 电压V2。当R9和R16的阻值确定时，两者对V2的分压引入反馈，若V2增大， 反馈量增大，TL431ACLP的分流也就增加，从而又导致V2下降。因此，深度的 负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时V2=(l+R9/R16)Vref ( Vref为 芯片内部参考电压)。选择不同的R9和R16的值可以得到从2. 5V到36V范围内 的任意电压输出，特别地，当R9-R16时，V2-5V。 R8起限制电流的作用，最大 电流为(24V-5V) /2K=9. 5mA，保证了最大输入电流小于TL431ACLP极限工作电 流；该基准电压输出给由R13、 R14、 R22和热电阻传感器组成的电桥电路，以 提供随温度和输入电压变化的稳定电压。用于采集汽车发动机机油温度的热电阻传感器(图中未示出)通过连接器JP1与信号处理放大电路连接，本实用新型中采用PT100或者CU50作为热电阻 传感器。参照图l及图4，信号处理放大电路电连接在单片机与电压基准电路之 间，信号处理放大电路将热电阻传感器的变化量转化为电压信号并经放大后输 入到单片机内进行处理。信号处理放大电路包括三线制的电桥电路、 一级运算 放大器U2A以及二级运算放大器U2B。电桥电路由热电阻传感器、电阻R13 、 R14 、 R22构成，热电阻传感器通过连接器JP1与电阻R13连接，连接器JP1的 引脚2与VCC连接，引脚l与地连接。电阻R13—端并联R14与R22组成的串 联支路，电阻R22—端与连接器JP1的引脚3连接，电阻R14—端与R13—同 与电压基准电路的输出电压V2连接，电阻R13和R14的阻值远大于R22和传感 器的阻值，为热电阻传感器提供大约lmA的电流，该电流将热电阻传感器电阻 的变化转换为电压。热电阻传感器连接方式用三线制形式，将热电阻传感器连 接到JP1的1、 4脚之间，并将JP1的引脚1、 3短接，这样可以去除导线电阻 带来的零点误差，经过运算放大电器放大处理后得到0~5V的输出电压信号， 满足单片机的A/D输入电压的范围(0~5V)。 一级运算放大器U2A的同相输入 引脚3及反相输入引脚2分别通过电阻R18、 R21与电桥电路连接，其同相输入 引脚3通过电解电容C10与地连接，其反相输入引脚还通过串联的两个电阻R25、 R26与输出引脚l连接； 一级运算放大器的引脚8与电源VCC连接，以及通过电 容Cll与地连接，其引脚4与地连接， 一级运算放大器U2A信号输出引脚1通 过反馈电阻MO与电阻R18 —端连接； 一级运算放大器信号输出引脚通过电阻 R19与二级运算放大器的同相输入引脚5连接，同相输入引脚5还通过电阻R20 与地连接；二级运算放大器U2B反向输入引脚6通过电阻R27与地连接，反向 输入引脚6通过串联的两个电阻R23、 R24与其输出引脚7连接；二级运算放大 器U2B的引脚8与VCC连接，引脚4与地连接；二^:算放大器输出引脚7通 过电阻R20与单片才几U3的41脚连接。参照图1及图6，单片机U3采用68HC908LJ12型芯片，单片机的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。单片机U3接收到信号处理放大电路的电压信号后，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，单片机无法直接驱动步进电机，因此，在步进电机与单片机 通过电机驱动电路与步进电机连接，通过电机驱动电路将单片机输出的电流放大，提供给与温度表盘指针连接的步进电机。电机驱动电路由四个与非门U1A、 U1B、 U1C、 U1D构成，单片机的输出引脚45、 46、 59、 60分别对应与U1D、 U1C、 U1B、 U1A连接，各与非门的输出端分别对应与步进电机的接线端1、 2、 3、 4连 接，各与非门均采用MC74ACT08芯片。参照图l及图7，线性转换电路与单片机的SPI输出接口电连接，用于将单 片机输出的电压信号转换成电流信号的线性转换电路，线性转换电路包括与单 片机SPI接口连接的D/A转换器U4,以及与D/A转换器电连接的V/I转换电路。 单片机的SPI接口为其引脚17、 25、 26、 27， D/A转换器U4的引脚1、 2、 3、 4 分别对应与单片机的引脚25、 17、 27、 26连接。D/A转换器U4为一个10位数 模转换器，其将单片机的SPI接口输出IO位数字信号转化为0. 4V-2. OV的电压 信号。D/A转换器U4采用TLC5615型芯片，D/A转换器U4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R30与V/I 转换电路连接。V/I转换电路包括一级运算放大器U8B、第一晶体三极管Q5、 二 级运算放大器U8A以及第二晶体三极管Q6; —级运算放大器U8B的同相输入引 脚5通过电阻R30与D/A转换器输出端连接，其反相输入引脚6与第一晶体三 极管Q5的发射极一并通过电阻R54与地连接，其输出引脚7与第一晶体三极管 Q5的基极连接。第一晶体三极管Q5的集电极通过电阻R53与稳压电源的V3抽 头连接，也可以直接与汽车蓄电池输出端连接，电阻R53通过稳压二极管D18 与稳压电源的V3连接。第一晶体三极管Q5的集电极与二级运算放大器U8A的 同相输入引脚连接；二级运算放大器U8A的反相输入引脚与第二晶体三极管Q6 的发射极一并通过电阻R55与V3连接，二级运算放大器U8A的输出引脚1与第 二晶体三极管Q6的基极连接，第二晶体三极管Q6集电极与连接器J2连接。U8B、 Q5、 R54组成一个恒流负载，电流的大小由U8B的5脚电压控制。U8A的输入电流极小，电阻R53流过的电流和R54上的电流相等，电阻R53和R54的阻值相 等，电阻R54两端的电压和R53两端电压相等，此时R54两端的电压和D/A的 输出电压相等，范围为O. 4V-2V。由于运放的特性，稳定后的输入的两端电位相 等，电阻R55的电压和R54两端电压相等，电阻R55两端的电压和D/A的输出 电压相等，电阻R55的电压受D/A的输出电压控制，输出电流I范围为4-20mA (0. 4V/R55=4mA, 2. 0V/R55=20mA )，电流和电压呈线性转换关系。实现了，电流 和电V-I的线性转换，并通过连接器J2输出，输出的4-20mA用于温度信号的 远程传输并送到发动机的其它单元作为这些单元的标准输入信号。使用时具体 连接方法为连接器J2的2脚与公共地连接，J2的1脚连接到其它部分的电流 输入端。本实用新型工作时，汽车蓄电池输出电压VBAT通过稳压电源中的IC1转换 为5V的稳定电压输出，分别提供给单片机和电机驱动电路，作为其标准工作电 压；稳压电源V3的抽头电压直接提供给表盘背光电路和线性转换电路使其工作。 稳压电源输出的5V的稳定电压通过具有温度补偿的电压基准电路转化为电压基 准源，该基准电压输送给由R13、 R14、 R22和热电阻传感器组成电桥电路。成 电桥电路将热电阻传感器的电阻变化转化为电压信号，该电压信号经过信号处 理放大电路的一级运算放大器U2A构成的差分放大电路，将电压信号放大到IV 左右；再通过二级运算放大器U2B构成的放大电路放大3倍，处理后得到0-5V 范围内的电压信号。二级运算放大器U2B通过限流电阻R20将电压信号送到单 片机U3的引脚41( ADIN端)。该电压信号首先被送到单片机内部的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电路和线性转换电路。其中 电机驱动电路对上述单片机输出的数字信号进行放大，由电机驱动电路送往步 进电机M1的线包，步进电机Ml带动温度表盘指针旋转，在线性刻度盘上指示 相应的温度值。线性转换电路首先对信号进行D/A转换器转换成模拟电压信号， 并通过V/I转换电路将模拟电压信号线性转换成4-20mA电流信号，并通过连接 器J2输出。输出的电流信号用于温度信号的远程传输并送到发动机的其它单元作为这些单元的信号输入。本实用新型的零点调整过程为把输入端(连接器JP1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，把H2的2脚(过孔)用导线短接到地，单片机立即对当前零点对 应的电压釆样，作为温度表的初始零点，以扣除零点的电压偏差，实现软件直 接调零。本实用新型的满度调整过程为把输入端(JP1的1、 4端)与标准电阻箱 (精度为0. Ol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；把H2的l脚用导线短接到地，单片机立即对当前满度对应的电压釆样， 作为温度表的满度，运算时把此电压作为最高点电压，实现软件直接调整满度。虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本实用新型， 任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型之精神和范围内，当可作 些许之更动与改进，因此本实用新型之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求1.一种步进电机驱动的温度表，包括单片机、以及用于采集汽车发动机机油温度的热电阻传感器，其特征在于还包括一个与电源连接的电压基准电路；以及一个电连接在单片机与电压基准源之间的信号处理放大电路，信号处理放大电路将热电阻传感器的变化量转化为电压信号并经放大后输入到单片机内进行处理；以及将单片机处理的输出信号放大后输出到步进电机的电机驱动电路，电机驱动电路电连接在单片机与步进电机之间；以及一用于将单片机输出的电压信号转换成电流信号的线性转换电路，线性转换电路与单片机的SPI输出接口电连接；单片机的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温度表，其特征在于所述电压 基准电路中包含一个三端可调分流基准源，该三端可调分流基准源的引脚1与 地连接，其引脚3通过限流电阻R8与稳压电源连接，其引脚l通过串联的两个 电阻R16、 R9与引脚3连接，电阻R16—端与三端可调分流基准源的引脚2连 接。
3. 根据权利要求2所述的步进电机驱动的温度表，其特征在于所述三端 可调分流基准源为TL431ACLP型芯片。
4. 根据权利要求1所述的步进电机驱动的温度表，其特征在于所述信号 处理放大电路包括三线制的电桥电路、 一级运算放大器U2A以及二级运算放大 器U2B; —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R18、 R21与电桥电路连接， 一级运算放大器信号输出引脚1通过反馈电阻RIO与电阻 R18 —端连接， 一级运算放大器信号输出引脚通过电阻R19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R27与地连接， 二级运算放大器输出引脚7与通过电阻R20与单片机的41脚连接。
5. 根据权利要求1所述的步进电机驱动的温度表，其特征在于所述的线 性转换电路包括与单片机SPI接口连接的D/A转换器U4，以及与D/A转换器电连接的V/I转换电路，该V/I转换电路包括一级运算放大器U8B、第一晶体三极 管Q5、 二级运算放大器U8A以及第二晶体三极管Q6; —级运算放大器U8B的同 相输入引脚5通过电阻R30与D/A转换器输出引脚7连接，其反相输入引脚6 与第一晶体三极管Q5的发射极一并通过电阻R54与地连接，其输出引脚7与第 一晶体三极管Q5的基极连接；第一晶体三极管Q5集电极通过电阻R53与稳压 电源V3连接，以及与二级运算放大器U8A的同相输入引脚连接；二级运算放大 器U8A的反相输入引脚与第二晶体三极管Q6的发射极一并通过电阻R55与24V 电源连接,二级运算放大器U8A的输出引脚1与第二晶体三极管Q6的基极连接， 第二晶体三极管Q6集电极与连接器J2连接。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的步进电机驱动的温度表，其特征在 于所述电机驱动电路由四个与非门构成，各与非门均采用MC74ACT08芯片。
专利摘要本实用新公开了一种步进电机驱动的温度表，其具有与电源连接的电压基准电路；以及电连接在单片机与电压基准源之间的信号处理放大电路，信号处理放大电路将热电阻传感器的变化量转化为电压信号并经放大后输入到单片机内进行处理；以及将单片机处理的输出信号放大后输出到步进电机的电机驱动电路，电机驱动电路电连接在单片机与步进电机之间；以及用于将单片机输出的电压信号转换成电流信号的线性转换电路，线性转换电路与单片机的SPI输出接口电连接；单片机的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。本实用新型的整体线性度好，仪表电流输出稳定，具有数据远程传输能力，并且零度和满度的调整方法简单。
文档编号G01K7/18GK201083554SQ20072012524
公开日2008年7月9日 申请日期2007年9月18日 优先权日2007年9月18日
发明者进 刘, 强 袁, 邓定春 申请人:重庆川仪总厂有限公司