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步进电机驱动的机油压力表

技术领域

本实用新型涉及汽车发动机，具体涉及一种检测发动机机油压力的步进电机驱动的机油压力表。背景技术

目前检测发动机机油压力表的压力传感器输出信号为」1^一 50^的电压信号，通常微控制器的釆样信号为0—的电压信号，且只对正电压丨电流信号进行采样，对于上述压力传感器输出的-50抓电压信号，微控制器无法直接进行釆样量化，因此，需要对压力传感器输出信号进行处理及放大，使电路输出信号为微控制器可采样的⑶…乂）电压。针对以上情况，传统的处理方法为釆用双电源供电或者是釆用正电源到负电源转换的芯片提供负电源，以适应双电源运算放大器对负输入信号的处理。但由于传统运算放大电路电压输出摆幅比较低，如果将输出信号放大到微控制器所需的电压信号，将无法保证线性度。为了使运算放大电路得到比较大的输出幅度〔0-57〕，并且保证输出信号的线性度，通常采用十6乂和-67以上的电源给运算放大电路以及微控制器供电，但微控制器工作时的电压一般为十5乂，当输入电压过高时容易将微控制器的1/0接口烧毁，所以为了保护微控制器的1/0接口，需要釆用限幅保护措施，以解决电压不匹配问题，但这样一来会使整个电路复杂，成本上升。此外，目前压力表指针的线性调整和零点、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7台，随着时间的推移参数发生变化，容易产生零点和满度飘移，其线性度发生变化，调试的重复比较差。实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种步进电机驱动的机油压力表，它釆用单电源对电路供电，并可使输入微控制器的采样信号幅度提高，电路能保证该采样信号的线性度，同时本实用新型具有电路结构简单，成本较低、重复性好、线性度高、可靠性高以及具有远程输送信号的优点。

本实用新型的目的是这样来实现的：一种步进电机驱动的机油压力表，包括微控制器以及压力传感器，压力传感器用于感应机油的压力变化并将该变化转换为电信号发出，还包括与微控制器电连接的电源转换器，电源转换器将汽车电瓶的输出电压转换为4效控制器标准工作电压输出；以及电连接于压力传感器与微控制器之间的轨到轨信号处理器，轨到轨信号处理器将压力传感器发出的电压信号实行电平迁移，并作放大后输出到微控制器；以及电连接于轨到轨信号处理器与电源转换器之间的基准电压源，该基准电压源为轨到轨信号处理器提供电平迁移的迁移电压；以及与微控制器输出端电连接的电机驱动器，电机驱动器将微控制器输出的电信号放大后输出到与压力表指针连接的步进电机；以及与微控制器的3？1输出接口电连接一线性转换器，V”线性转换器将微控制器输出的电压信号转换成电流信号用于远程输送。

采用了上述方案，与微控制器电连接的电源转换器，通过单电源对电路供电，可将汽车电瓶的输出电压转换为微控制器标准工作电压输出，输出到轨到轨信号处理器的电压和微控制器的电压相同时，可使轨到轨信号处理器输出电压幅度提高，以提高采样信号量化分辨率、保证釆样信号的线性度；同时还可防止电压过高时将微控制器的1/0接口烧毁；且无须采用限幅保护措施来解决电压不匹配问题，致使电路结构简单化，生产成本降低。电连接于压力传感器与微控制器之间的轨到轨信号处理器，轨到轨信号处理器将压力传感器发出的电压信号实行由负到正的电平迁移，可避免传统方法采用正电源到负电源转换的芯片提供负电源，使电路结构简化；并且可以减少输出的电信号失真，以及线性度的增益得到加强，满足微控制器对传感器信号进行采样量化处理。轨到轨信号处理器中由电平迁移放大电路与电压跟随器组成，电压跟随器对电平迁移放大电路输出的信号可起缓沖作用，不但可提高带载能力，而且可以隔离较大负载。^效控制器的3？1输出接口电连接一 V”线性转换器，通过线性转换电路，将微控制器处理的电压信号转换为4-20111八的电流信号输出，并远程输送到发动机的其它单元作为这些单元的信号输入。

电连接于轨到轨信号处理器与电源转换器之间的基准电压源，基准电压源可为轨到轨信号处理器提供所必须的迁移电压；基准电压源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，并且具有良好的热稳定性能以及去耦性能，以加强电路稳定性。此外，三端可调分流基准源内部含有一个1. 5、的基准电压，所以当在三端可调分流基准源的112？端引入输出反馈时，可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

微控制器的引脚11及引脚12经导线引出分别与电路板上设置的两个用于零点调整或满度调整接口焊接，由于压力传感器表现为电阻变化，釆用标准压力发生器代替电位器，连接满度调整或零点调整接口，由微控制器对当前零点或满度对应的电压采样，通过微控制器内预置的程序自动修正，实现对压力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，调整时重复性好，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。

本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，实现了压力表线性指示和数据的远程传输，满足其野外作业的高可靠性。该压力表的线性度高于测试中的野外作业的参数要求，输出4-20^的电流信号在用于？IX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。

下面结合附图，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。附图说明

图1为本实用新型步进电机驱动的机油压力表的电路框图；图2为图1中的电源转换器的电路示意图；图3为图1中的表盘背光指示电路的示意图；图4为图1中的基准电压源的电路示意图；图5为图1中的轨到轨信号处理器的电路示意图；图6为图1中的电机驱动器与微控制器连接的电路示意图；图7为图1中的乂/〗线性转换器的电路示意图。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机油压力表具有：微控制器 115、压力传感器（压力传感器在图中未示出〉、电源转换器、轨到轨信号处理器、基准电压源、电机驱动器、乂/〗线性转换器。压力传感器用于感应机油的压力变化并将该变化转换为电信号发出，电源转换器与微控制器电连接，将汽车电瓶的输出电压转换为微控制器标准工作电压输出；压力传感器与微控制器之间电连接轨到轨信号处理器，将压力传感器发出的电压信号实行电平迁移，并作放大后输出到微控制器；轨到轨信号处理器与电源转换器之间电连接基准电压源，为轨到轨信号处理器提供电平迁移的迁移电压；电机驱动器与微控制器输出电连接，将微控制器输出的电信号放大后输出到与压力表指针连接的步进电机；微控制器的3？1输出接口电连接一 V”线性转换器，1/1线性转换器将微控制器输出的电压信号转换成电流信号用于远程输送。

参照图2，电源转换器的电路结构，电源转换器将汽车电瓶的输出电压转换为微控制器标准工作电压输出。汽车电瓶的输出电压作“电压范围为2训到鼠电源转换器101为一个三端式可调集成稳压器，电源转换器1(31的型号为 1^317190 V8”依次通过二极管01和限流电阻III与电源转换器101的输入引脚 3连接，电容03与电解电容〔4并联在电源转换器的引脚3与地之间。电源转换器通过二极管01阴极引出一电源VI，该电源的电压为24丫。电阻III与电容03、04构成限流滤波电路，使三端式可调集成稳压器避免受群脉沖干。电阻 115、117以及电容〔5并联在电源转换器的引脚1与地之间，电源转换器的引脚2通过电阻113与其引脚1连接。电解电容及02连接在电源转换器101的引脚2与地之间，电解电容（：丨及02用于储能，当电源断电后，可以保证微控制器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。电源转换器通过输出支路分别与微控制器、轨到轨信号处理器、表盘背光指示电路、电机驱动器以及V”线性转换器连接，向各电路单元提供所需电源。

电源电压经电源转换器转换后，由电源转换器1(^1的输出引脚2输出一的电压乂⑶，由选定元件的参数，根据下列步骤可以得到电源转换器的输出电压卿为：

由于电源转换器101的调节电流很小，忽略I&(！」‘的影响，则电路的输出值近似为：

乂⑶吐 257 (旧//!^) /⑶ 本实施例电阻旧―.51 ^20【’ 113=470 则 ^00=5^ 01乂

参照图1及图3，压力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112串联发光二极管1)2、03构成，支路二由电阻114串联发光二极管05、06构成，支路三由电阻116串^^光二极管07、08构成，电阻112、114、尺6为各自所在支路起限流作用。表盘背光指示电路一端与VI连接，另一端通过二极管04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112、 02、03组成的支路中电流大小为(^！！-^！-^)丨^1： ^ ！^. 11=5^

当电源电压变化为棚时电流约为5.5(1^；当电源电压变化为2例时电流约为 4.5^，整个电流随电压的变化在±0.5^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4，电连接于轨到轨信号处理器与电源转换器之间的基准电压源，该基准电压源为轨到轨信号处理器提供电平迁移的迁移电压。基准电压源中包含一个三端可调分流基准源103，三端可调分流基准源采用！！彳〗“!^?型芯片。三端可调分流基准源的引脚3与地连接，其引脚2通过限流电阻1128与稳压电源的输出电压VI连接，电阻1131、1134串接在三端可调分流基准源的引脚2、 3之间。三端可调分流基准源的电压输出引脚1电连接在电阻1131与1134之间，基准电压源输出5乂的电压乂2通过电阻1131—端引出；分压电阻1130、1133串接在电阻1131与地连接，电阻1130与电阻1133之间连接一个用于与轨到轨信号处理器电连接的电阻1129，电阻1133两端并连一电容033。基准电压源的输出5、的电压经电阻1130分压，以及经电容030滤波后，在电阻1133两端的输出一个为基准电压V〗，该电压的大小为：

5乂 X 1(337〔 1133+1130〕1 X 39072390^0^ 82乂

电阻1133 —端通过电阻1129与轨到轨信号处理器中的运算放大器1140的同相输入引脚电连接，为轨到轨信号处理器提供电平迁移所需的迁移电压。三端可调分流基准源的内部含有一个1. 的基准电压，当在其引脚1〔肋？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。当1131和1134的阻值确定时，两者对的分压引入反馈，若增大，反馈量增大，11431礼0？的分流也就增加，从而又导致”下降，此时 ^^^(！+^!/^)^!(化“为芯片内部参考电压，其大小为1. 选择不同的1131和1134的值可以得到从2.57到36乂范围内的任意电压输出，特别地，当 1(31=1134时，、2二5、。1(28起限制电流的作用,****电流为〈2“-5乂〉5爪八，保证了****输入电流小于11431八IX？极限工作电流。运算放大器04八的反向输入引脚通过电阻1120、1124与运算放大器040的反相偷入引脚连接。

参照图1及图5，电连接于压力传感器与微控制器115之间的轨到轨信号处理器〔II&11-10-11&丨丨），轨到轨信号处理器将压力传感器发出的电压信号实行电平迁移，并作放大后输出到微控制器。轨到轨信号处理器由电平迁移放大电路以及与电平迁移放大电路电连接的电压跟随器组成。电平迁移放大电路对传感器输出的信号进行放大，并通过电压基准源提供的电压将上述放大的信号进行电平迁移。电平迁移放大电路包括运算放大器1)4八、1140. 1140，运算放大器114入以及1140的同相输入引脚3、12与连接压力传感器的连接器12连接，压力传感器两个输出端分别与连接器12的引脚1、2连接。压力传感器用于感应机油的压力变化并将该变化转换为电信号发出，本实用新型中压力传感器釆用应变电阻式的压力传感器，其由四个应变电阻构成的电桥，该电桥将机油的压力变化变换为-511^—501^的电压输出。连接器12的引脚4与地连接，其引脚3与基准电压源的输出电压乂2连接。运算放大器II从的反向输入引脚2通过电阻1120、 1124与运算放大器1140的反相输入引脚13连接，电阻1122与电容021并联在运算放大器II从输出引脚1与反相偷入引脚之间，运算放大器114人的输出引脚1 通过电阻1121与运算放大器1140反相愉入引脚9连接，运算放大器11 “的同相输入引脚3还通过电容口9与地连接,其引脚11与地连接。电阻1123与电容025 并联在运算放大器1140输出引脚14与反相输入引脚13之间，运算放大器1140 的同相输入引脚还通过电容028与地连接，运算放大器1140输出引脚与电阻1125 的一端连接’电阻1125的另一端分别连接电压基准源和运算放大器的同相输入引脚10。电阻1119与电容020并联在运算放大器1140输出引脚与其反相输入引脚之间，运算放大器！！札引脚4分别与乂⑶连接，以及通过电容022与地连接；运算放大器11牝通过电阻1142与电压跟随器连接。电压跟随器用于对电平迁移放大电路输出的电压信号进行缓沖，电压跟随器由运算放大器1148、电阻尺42以及电阻18组成，其中，电阻1118连接在运算放大器1148的信号输出引脚 7与反相输入引脚6之间，电阻1142连接在运算放大器1148同相输入引脚与电平迁移放大电路输出端之间，运算放大器1)48通过电阻1140与微控制器的41脚连接。运算放大器114夂1148、114。1)40均采用01X324型号芯片。

根据下列步骤可以得到电平迁移放大电路输出的电压信号"(^了）为：前级运算放大器II从、1140的放大倍数：八〔1122+1123丨/〔1120+1124 ” (！) 压力传感器的输入电压为：VI恥由式（”得到前级运算放大器偷出电压，其值大小为：

乂344^ 人 1 X X 〖1+〔 1122+1123〕丨〔1120+1124 [！)

运算放大器1140的电压放大倍数为八 2=1119/1121 ⑶

根据电压叠加原理知道，传感器单独输入时输出电压为：乂011丁1^ (八1 X 乂⑷ “2

^ (乂⑶ X ^ 1+ ^ 1122+1123 ^ I ^ 1120+1124 ^ ^ ^ X 1119/1121 (彳）基准电压单独作用于第二级时，输出电压为： ^01172^257〈 1125+1129〉X 乂4 X〔 1+1119/ 1121〉

由尺19^ 1125，112— 1129，得到^01112^5；由基准电压运算知道乂^^口^^钊.82乂则总的电压输出为：

X〔1+〔1122+1123 ^/(”(^！^々））X 尺19邝21十乂5

⑶

由式〔5〕可以得出，当输入电压为负电压时，选取合适的基准电压乂4使得输出电压大于0乂，从而实现电平的迁移。输出电压最终可以调整到0-5乂之间。

当传感器输入为时，传感器单独作用时的输出电压为： 1120=1124=7.51：，1122=1123=100、III9=51、1121=101：输出电压为、(^！!〜!). 367 化）在加入偏置电压后电路的总体输出电压为：

乂011丁：乂011 丁2十82-0^ 36乂 46、

当传感器输入位十50！！^时，传感器单独作用时的输出电压为：乂01171^3’ (！)

在加入偏置电压后电路的总体输出电压为：

由式（？）和式〔8〉得知，通过轨到轨信号处理器处理后，整个输出电压在1 46^到4丨42乂之间，将压力传感器的输出电压从-(！ 36乂到3’ 6乂到迁移到 0，46乂到4，42乂之间，实现了电平迁移和对微控制器偷入电压的要求。

参照图1及图6，与微控制器输出端电连接的电机驱动器，电机驱动器将微控制器输出的电信号放大后输出到与压力表指针连接的步进电机。微控制器115 采用68肌908口 12型芯片，微控制器的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 92焊接，112在电路板上为两个孔。微控制器115接收到轨到轨信号处理器的电压信号后，其输出信号通过电机驱动器电流放大，提供给与压力表指针连接的步进电机附。电机驱动器由四个与非门113人、1138、1130、1130构成，微控制器的输出引脚45、46、59、60分别对应与1130、1130. 1138、113人连接，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，各与非门均采用妮74从丁08芯片。

参照图1及图7，微控制器的3？1输出接口电连接一 V”线性转换器，将孩史控制器输出的电压信号转换成电流信号用于远程输送。7/1线性转换器包括IV八转换器111、一级运算放大器1188、第一晶体三极管的、二级运算放大器1)8人以及第二晶体三极管卩6。0/人转换器III与微控制器3？1接口连接,微控制器的3？1 接口为其引脚17、25、26、29，IV人转换器114的引脚1、2、3、4分别对应与微控制器的引脚25、17、29、26连接，将微控制器3？1接口输出的10位数字信号转化为！).奶-1.奶的模拟电压信号。！)/八转换器III为一个10位数模转换器，

IV入转换器釆用71X5615型芯片。染转换器114的引脚5与地连接；其引脚6 为反馈输入端；其引脚8与^优连接，以及通过电容09与地连接；其引脚7通过电阻118与一级运算放大器1)88的同相输入引脚5连接。一级运算放大器088 反相输入引脚6与第一晶体三极管如的发射极一并通过电阻1154与地连接，其输出引脚7与第一晶体三极管卯的基极连接。

第一晶体三极管卯的集电极通过电阻1153与电源转换器的输出端VI连接，也可以直接与汽车瓶池输出端连接，电阻1153通过稳压二极管018与VI连接。第一晶体三极管的的集电极与二级运算放大器118人的同相输入引脚连接；二级运算放大器的反相输入引脚与第二晶体三极管06的发射极一并通过电阻 1155与VI连接，二级运算放大器1)8人的输出引脚1与第二晶体三极管㈨的基极连接，第二晶体三极管㈨集电极与连接器III连接。一级运算放大器1188、第一晶体三极管如以及电阻1154组成一个恒流负载，电流的大小由1188的5脚电压控制。二级运算放大器118人的输入电流极小，电阻1153流过的电流和1154上的电流相等，电阻1153和1154的阻值相等，电阻1154两端的电压和1153两端电压相等，此时电阻1154两端的电压和0/人转换器III的输出电压相等，范围为 0.^-2^。由于运放的特性，稳定后的输入的两端电位相等，电阻1155的电压和 1154两端电压相等，电阻1155两端的电压和來转换器的输出电压相等，电阻 1155的电压受0/人转换器的输出电压控制，输出电流I范围为4-20111八 ⑶.作邝55二4嗌，2丨(^/！^纟二卩^)!^)，电流和电压呈线性转换关系。实现了电压和电流的线性转换，并通过连接器111输出，输出的4-20^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111的2脚与公共地连接，111的1脚连接到其它部分的电流输入端。

本实用新型的工作过程为：压力传感器将感应的压力变化转化为-5^-5011^ 电压信号输出，该信号通过运算放大器114夂1140. 1)40以及相关的外围电阻电容组成的放大器对传感器的小信号进行放大，并通过电压基准源提供迁移电压进行电平迁移，使放大后的电压信号在之间，该信号由1148、1142、1118 组成电压跟随器经缓沖后，被送到微控制器引脚41 (幼^),进入微控制器内部的人/！)转换器。经微控制器的人/！)转换器对输入的模拟电压进行采样量化，转换为整数值。并通过软件算法，一路转换为步进电机的驱动波形，并通过电机驱动器进行驱动，送往步进电机附的线包，步进电机附带动指针旋转，在线性刻度盘上指示机油的压力值。采样得到的数据另一路通过微控制器的3？1接口输出10位数字信号，通过10位IV八转换器III (了！/^^^转化为0丨^-！. 的电压信号，该电压信号经一级运算放大器1188、第一晶体三极管的以及电阻1154 组成恒流负载转换为电流信号，电流和电压呈线性转换关系，通过二级运算放大器118八将该电流I放大为4-2001八〔0’竹邝55二4^，1. 0^/1155=20^〉，并通过连接器III输出。输出的4-20^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。

采用本实用新型对压力表指针零点调整过程为：将压力传感器与标准压力发生器连接，连接器12的引脚1、2分别与压力传感器的两个输出端连接，调整标准压力发生器,使其输出压力为零；将耵的2脚（通过导线与微控制器引脚11连接的过孔）用导线短接到地，彳效控制器立即对当前零点对应的电压采样，作为压力表的初始零点，以扣除零点的电压偏差，通过微控制器内部预置的程序直接调零。

采用本实用新型对压力表指针满度调整过程为：将压力传感器与标准压力发生器连接，连接器12的引脚1、2分别与压力传感器的两个输出端连接，调整标准压力发生器，使其输出压力为零，这时压力传感器检测到的压力值为零；将112的1脚〔通过导线与微控制器引脚12连接的过孔）用导线短接到地，微控制器立即对当前零点对应的电压采样，作为压力表的初始零点，以扣除零点的电压偏差，通过孩史控制器内部预置的程序直接调零。通过设置92的引脚1、2 组合，还可以通过微控制器内预置的程序可进行多点线性修正。方法和满度、零点的调试方法相同。

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。