专利名称：微型步进电机驱动的线性仪表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种指针式数字仪表，特别是涉及一种微型步进电机驱动 的线性仪表。
背景技术：
目前，部分柴油发动机以及船舶用的发动机的信号传输方式是采用
4~20mA电流回路方式传输。采用电流传输方式便于远距离传输，也有利于系 统检测整个传输回路的短路和开路等异常情况。
国内实现电流回路传输方式的仪表， 一般采用LCD、 LED的数码显示方 式，也有部分采用十字线圈驱动指针的仪表。采用LCD、 LED显示转速表在 有些场合不符合传统的使用习惯，尤其是用在船舶以及工程机械等运动的设备 上，更不符合人们的使用及驾驶习惯；采用传统的十字线圈驱动机械式仪，表 盘刻度一般为非线性，使用寿命短而且一般是非线性方式的指示方式，在恶劣 的环境下寿命更短而且指针线性差，不适合人们的线性思维方式。此外，上述 仪表的线性调整和零点、满度调整非常麻烦， 一般需要反复调节零点和满刻度; 仪表的线性修正更为麻烦且精度低，必须反复调试才能达到相应的精度要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提出一种输入输出为4~20mA 标准信号、步进电机驱动的微型步进电机驱动的线性仪表。
为了达到本实用新型的上述目的， 一种微型步进电机驱动的线性仪表，包 括用于供电的电源模块，与电源模块相连的电压转换模块、指针及表盘背光 模块，用于处理输入信号的信号处理模块，与信号处理模块相连的单片机及校 准模块，与单片机及校准块相连的步进电机驱动模块、D/A转换及输出模块；与步进电机驱动模块相连的具有线性刻度的表盘；上述电压转换模块与信号处 理模块、单片机及校准模块、步进电机驱动模块相连；
上述单片机及校准模块包括A/D转换模块及实现零点调整和满度调整的 校准模块；
上述A/D转换模块与信号处理模块相连，并输出至步进电机驱动模块；
上述校准模块包括芯片、与芯片相连的采样模块、与采样模块相连的软件 处理模块、与软件处理模块相连的步进电机驱动模块。
上述信号处理模块包括电流/电压转换模块、电压放大模块、滤波模块。 上述电压放大模块中的运算放大器是单电源供电运算放大器。 上述信号处理模块使用的芯片是输入信号为4~20mA标准工业信号的芯片。
上述D/A转换及输出模块使用的芯片是输出信号为4~20mA标准工业信 号的芯片。
本实用新型的一种步进电机驱动的指针式数字仪表的输入输出均为 4-20mA标准工业信号，采用可以小电流信号驱动的步进电机来驱动指针，且 表盘刻度是线性的，更符合人们的使用习惯和思维方式，本实用新型还采用快 捷的零点校正和满度校正方式，也具有多点线性拟合的功能，便于改善整个电 路的线性，整个电路的供电和处理方式简单，不需负电源和电路输出进行限幅， 电路结构简单，成本低但可靠性高。


图1为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表整体框图； 图2为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的电源和电压转换 模块的原理图3为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的信号处理模块原 理图4为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的单片机校准模块原理图5为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的步进电机驱动模 块原理图6为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的D/A转换及输出 模块原理图7为本实用新型的一种微型步进电机驱动的线性仪表的指针及表盘背光 模块原理图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本 实用新型一优选实施例，作详细说明如下
如图1所示的一种步进电机驱动的指针式数字仪表，电源101的电源电压 直接提供给指针及表盘背光模块102和D/A转换及输出模块103， 4~10mA标 准工业信号作为输入信号输入至信号处理模块104，信号处理模块104与单片 机及校准模块105相连，单片机及校准模块105与步进电机驱动模块106、 D/A 转换及输出模块103相连；电源101经电压转换模块107转换后供给信号处理 模块104、单片机及校准模块105、步进电机驱动模块106。
如图2所示的本实施例的电源101及电压转换模块107的工作原理图，电 路中采用二极管D4的单向导通特性，保证电源单向供电、防止电源电压接反 后烧毁仪表；电阻R10和滤波电容C8、 C9组成RC滤波网络，保证了电路发 动机工作的环境出现强烈的脉冲干扰时提供稳定的输出电源；CIO、 Cll用于 储能，当外接电源掉电后，保证单片机有足够的能量保存相应数据和使步进电 机复位，使得即使仪表突然断电后仍有充裕的能量让指针回到零刻度或者指定 刻度；C5， C6， C7为旁路电容。磁珠LL1、 LL2主要用于防止电路串入高频 干扰，保证电路的可靠性和抗干扰能力。由图2中所给出的元件参数可以计算 出电路中的输出电压为
VCC=1.25V(1+ (R13//R12) /Rll+Iadj (R13脂2)
由于芯片LM317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+ (R13//R12) /Rll) 由R12=1.5k， R13=20K， Rll=470 则VCC-5.01V，完全满足电压的基本偏差要求。
如图3所示的信号处理模块的电路原理图，电路中，R18为电流采样电阻， 实现1/V的转换，该电阻将输入的4-20mA电流转化为40mV-200mV的电压， 该电压经过U4A组成的同相放大，放大倍数为(1+R20/R19) =8.5;放大后电 压范围为0.34V-1.7V; R15、 R16、 C13、 C14、 R22、 R21组成放大倍数为2的 二阶低通滤波器；ADIN对应的电压为0.68V-3.4V，此电压满足了单片机A/D 输入电压幅度的要求。电路中R18采用的电阻值比较低，和通常工业中使用 IOOQ、 250Q不同，使得4-20mA电流回路中可以串接多台仪表。
该电路电流采样运用的运算放大器为单电源供电运算放大器；整个电路的 供电和处理方式简单，不需负电源和电路输出进行限幅，电路结构简单，成本 低但可靠性高。
如图4所示，单片机及校准模块主要用于本仪表的零点调整和满度调整。 零点调整输入4mA标准电流信号，将H1对应的1脚接到地，CPU就会立 即采集对当前零点对应的电压采样，此时的ADIN电压作为零刻度对应的电压 值，通过软件的处理直接转换为0刻度对应的数值,让步进电机的指针指到0 刻度，从而实现零刻度调整。
满度调整输入20mA标准电流信号，将H1对应的2脚接到地，CPU就 会立即采集对当前满度对应的电压采样，此时的ADIN电压作为满刻度对应的 电压值，运算时把此电压作为最高点电压，通过软件的处理直接转换为满刻度 对应的数值，让步进电机的指针指到满刻度，从而实现满刻度调整。
调试方法为:(1)其调零方式为把输入端(J2的1、2端)连接到标准4-20mA 信号源的两个输出端，调整电流值，使其输出电流为4mA，把H1的2脚用导线 短接到地，CPU立即对当前电流对应的电压ADIN采样，作为仪表的零点对应 的值从而扣除零点偏差，实现软件直接调零；(2)满度调试方法把输入端(J2 的1、 2端)连接到标准4-20mA信号源的两个输出端，调整电流值，使其输出电流为20rnA，把H1的1脚用导线短接到地，CPU立即对当前20mA电流 对应的电压ADIN采样，作为仪表的满度对应的值，实现满度的自动调整；通 过设置H2的1、 2脚的状态组合可以通过软件进行多点线性修正，调试方法和 满度、零点的调试方法相同。
如图5所示，由于步进电机的运行时需要15mA的电流，单片机无法直接 驱动，采用U3输出电流大于25mA的芯片74ACT08扩大电流输出驱动能力。
如图6所示，电路中由单片机的SPI接口输出的IO位数字信号，通过IO 位D/A转换器U7(TLC5615)转化为0.4V-2.0V的电压信号，由U6、 Q2、 R23, R25组成一个恒流负载，电流的大小由U6B的5脚电压控制；由于U6B的输 入电流极小，所以R32流过的电流和R27上的电流相同，R32和R27的电阻 相同，R32两端的电压和R27电压相等，和D/A的输出电压V01相同，范围 为0.4V-2V;由于运放的特性，稳定后的两端位相等，所以R23、 R25的电压 和R54两端电压相等；由电压的传递关系R23、 R25的电压受D/A的输出电压 控制，整个输出电流为4-20mA，从而实现了电压-电流的线性转换。
稳压二极管D5主要用于解决运算放大器的共模电压问题，因为U6A允许 输入的共模电压为电源电压-1.5V，通过05使得116八最大共模电压-3.3￥，保 证了电路的稳定输出和可靠性。
如图7所示，在本实施例中，为了节约成本，电路中没有采用专门的发光 二极管驱动芯片，而是采用电阻限流的方式，发光二极管可以全部串联使用， 发光二极管全部串联使用的限流电阻阻值相应减小；电压变化幅度比较大时流 过发光二极管电流变化大，最终导致发光二极管亮度变化明显，刻度盘在高电 压时较亮而电压低时比较暗淡。减少发光二极管的串联个数增大限流电阻的阻 值，电流受电压影响的减小，从而使发光二极管的亮度变化不大，例如Rl、 Dl、 D2组成的支路中电流大小为(VBAT-VD3-VD2) /Rl= (24V-3.4V) /4.7K=5mA;当电源电压变化为28V时电流约为5.5mA;当电源电压变化为 20V时电流约为4.5mA,整个电流随电压的变化在士0.5 mA以内，保证了发光 二极管的亮度变化满足要求。
综上，本实施例的电路信号工作流程如下电源Jl的VBAT和GND端直
7接连接到发动机的电瓶电源两端，外接电源作为其输入电源。电源电压通过
U2三端稳压器LM317转换为5V的稳定电压，提供给单片机CPU和步进电机 驱动芯片U3 (74ACT08),并作为整个低压外围电路的标准工作电压。电源电 压直接提供给背景灯照明系统和V/I的转化输出部分电路。
在整个仪表电路中，4-20mA标准电流信号经过电阻Rl8转化为电压信号， 实现1/ V的转换；该电压经过U4A组成的同相放大，放大后电压范围为 0.34V-1.7V;再经过R15， R16， C13， C14， R22， R21组成放大倍数为2的 二阶低通滤波器转换为0.68V-3.4V电压；该电压经过电阻R17送入单片机A/D 输入口；该电压信号被送到单片机内部的A/D转换模块，由A/D转换模块对 输入的模拟电压进行采样量化，转换为数字量；采样得到的数据再分别送往步 进电和D/A输出部分，用于步进电机的指示和输出D/A转换和4-20mA输出 部分。
采样得到的数据通过软件算法转化为步进电机的驱动波形，并通过U3 (74ACT08)进行驱动，送往步进电机M1的线包；步进电机M1带动指针旋 转，在线性刻度盘上指示相应的转速值。
采样得到的数据同时通过单片机的SPI接口输出10位数字信号，通过10 位D/A转换器U7(TLC5615)转化为0.4V-2.0V的电压信号，由U6、 Q2、 R23、 R25、 R27、 R32组成的V/I变换电路，输出4-20mA恒流源，从而实现了 V-I 的线性转换。提供给外围设备的其它单元，作为这些部分的标准输入信号，连 接方法为J3的2脚为电压输出端，连接到其它部分的电压输入端，J3的1 脚为公共地。
本实用新型可用于出口的船舶控制系统上，实现发动机传来的4-20mA的 信号采集和数据的线性显示，符合传统习惯的线性指示，并一次性通过相应的 可靠性试验，满足船舶控制系统在恶劣的环境下的高可靠性要求。
当然，本实用新型还可有其他实施例，在不背离本实用新型之精神及实质 的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改 变，但这些相应的改变都应属于本实用新型权利 求的保护范围。
权利要求1、一种微型步进电机驱动的线性仪表，其特征在于，包括用于供电的电源模块，与电源模块相连的电压转换模块、指针及表盘背光模块，用于处理输入信号的信号处理模块，与信号处理模块相连的单片机及校准模块，与单片机及校准块相连的步进电机驱动模块、D/A转换及输出模块；与步进电机驱动模块相连的具有线性刻度的表盘；上述电压转换模块与信号处理模块、单片机及校准模块、步进电机驱动模块相连；上述单片机及校准模块包括A/D转换模块及实现零点调整和满度调整的校准模块；上述A/D转换模块与信号处理模块相连，并输出至步进电机驱动模块；上述校准模块包括芯片、与芯片相连的采样模块、与采样模块相连的软件处理模块、与软件处理模块相连的步进电机驱动模块。
2、 根据权利要求1所述的一种微型步进电机驱动的线性仪表，其特征在 于，上述信号处理模块包括电流/电压转换模块、电压放大模块、滤波模块。
3、 根据权利要求2所述的一种微型步进电机驱动的线性仪表，其特征在 于，上述电压放大模块中的运算放大器是单电源供电运算放大器。
4、 根据权利要求1所述的一种微型步进电机驱动的线性仪表，其特征在 于，上述信号处理模块使用的芯片是输入信号为4~20mA标准工业信号的芯 片。
5、 根据权利要求1所述的一种微型步进电机驱动的线性仪表，其特征在 于，上述D/A转换及输出模块使用的芯片是输出信号为4~20mA标准工业信 号的芯片。
专利摘要本实用新型提出一种微型步进电机驱动的线性仪表，包括用于供电的电源，与电源相连的电压转换模块、指针及表盘背光模块，用于信号输入的信号处理模块，与信号处理模块相连的单片机校准模块，与单片机校准块相连的步进电机驱动模块、D/A转换及输出模块；上述电压转换模块与信号处理模块、单片机校准模块、步进电机驱动模块相连。本实用新型的输入输出均为4～20mA标准工业信号，采用以小电流信号驱动的步进电机来驱动指针，且表盘刻度是线性的，更符合人们的使用习惯和思维方式，具有快捷的零点校正和满度校正方式，也具有多点线性拟合的功能，便于改善整个电路的线性，电路结构简单，成本低但可靠性高。
文档编号G01D3/06GK201373751SQ20092012670
公开日2009年12月30日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者进 刘, 强 袁 申请人:重庆川仪自动化股份有限公司