智能電壓傳感器的製作方法
2024-01-25 07:36:15 2
專利名稱：智能電壓傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種廣泛用於電壓測量領域的智能型傳感器，特別涉及一種智能電壓傳感器，屬於計算機技術、通訊技術和測量技術相結合的產品。
背景技術：
目前汽車與工程車輛廣泛使用的各種電壓表普遍存在指示精度低、可靠性差的缺點。其電壓顯示或燃油顯示是一個磁電式電錶，在高量程和低量程時不能很好的起到指示作用。工程機械振動比較嚴重，所以這種儀表容易因振動疲勞而損壞。這些常用的傳感器主要存在以下缺陷第一，高、低量程誤差比較大，這是由其傳感器結構所決定的。第二，需要耗費較多的有色金屬，體積大、質量大且容易因材料老化而失效。第三，信號傳輸採用模擬方式，缺乏故障檢測功能。第四，採用多個傳感器時，需要複雜的線束連接各個傳感器。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種可將傳統的模擬電壓信號轉化成符合LIN總線標準協議的數位訊號的智能電壓傳感器。
為實現上述目的，本實用新型智能電壓傳感器，其特徵在於包括單片計算機、電壓放大器、集成穩壓器、收發器、電源濾波保護器、外部接口J1和外部接口J2；單片計算機接受從外部接口J1並通過收發器發送來的指令，根據指令的要求，從電壓放大器讀取數據、或者進行系統故障檢測，測量的數據暫存於單片計算機內部寄存器中，經過單片計算機處理後，通過收發器發送到外部接口J1上；電壓放大器將外部接口J2輸入的模擬電壓，變換為適於單片計算機處理的電壓信號，該電壓信號輸入單片計算機電路，模擬/數字轉換；集成穩壓器為單片計算機、電壓放大器提供穩定的直流工作電源；收發器分別與外部接口J1、單片計算機連接，系統上電後喚醒電路使收發器處於待命狀態，外部接口J1發送的指令通過收發器轉換為單片計算機接受的數字指令，並為單片計算機所執行，執行的結果由單片計算機通過收發器發送到外部接口J1；電源濾波保護器用於防止電源反接，濾除外部幹擾信號，為集成穩壓器和收發器提供平穩的輸入電源；外部接口J1為智能傳感器提供能源並完成指令的輸入和數據的輸出功能；外部接口J2為放大器提供外部測量輸入信號。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於單片計算機由單片計算機集成電路U1、上拉電阻R1、R2、濾波電容C4、C5、C6、C7和濾波電感L1組成。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於電壓放大器由集成運算放大器U2、輸入保護電路、低通濾波器、濾波電容和負載電阻組成，輸入保護電路由電阻R3、R8和限幅二極體D1組成，低通濾波器由電阻R6、電容C3組成，負載電阻為電阻R7。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於集成穩壓器由穩壓集成電路U3和濾波電容C9構成。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於收發器由收發集成電路U4、喚醒電路、負載電路、與單片計算機的接口電路組成，電阻R10、電容C10構成喚醒電路，二極體D2和電阻R9構成負載電路。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於電源濾波保護器由保護二極體D3、電感L2、電容C8和電容C11構成，保護二極體D3採用肖特基二極體，電感L2、電容C8、電容C11組成L型濾波電路。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於外部接口J1由輸入電源線、收發信號線LIN和地線組成。
根據所述的智能電壓傳感器，其特徵在於外部接口J2由輸入電壓信號線IN和地線組成。
本發明與傳統的電壓傳感器或燃油量傳感器相比具有以下顯著優點1、採用單片計算機進行電壓檢測，測量精度高。
2、高、低量程情況下測量均準確。
3、改變比例係數，一種傳感器可以適用多種車型，降低生產研發成本。
4、採用單片計算機後，可以實現對傳感器系統的故障檢測，也可以實現對傳感器的數字校正。
5、採用強抗幹擾能力的數位訊號收發電路，它可以接收外部接口輸入的指令，並根據指令的規定向外部接口送出測量數據。
6、採用一種新型的外部接口，使用三條導線作為傳感器供電和傳送信息的載體，可大大提高傳感器可靠性。
7、利用本發明可將最多16個傳感器組成一個區域網路，在網絡管理下實現多傳感器數據融合。
8、使用獨立的地線，防止電瓶地線接觸不良、馬達開啟和停止、發電機調節器損壞造成的瞬間高壓對傳感器的衝擊。
9、本裝置可將傳統的模擬電壓信號轉化成符合LIN總線標準協議的數位訊號。
以下結合附圖進一步說明本實用新型的內容。
圖1為本實用新型的電路原理框圖。
圖2為本實用新型的電路原理圖。
圖3為本實用新型的單片計算機軟體流程圖。
具體實施方式
本實用新型的電路原理框圖如圖1所示，包括單片計算機、電壓放大器、集成穩壓器、收發器、電源濾波保護器、外部接口J1和外部接口J2。
通過外部接口J1為智能電壓傳感器加12V電源以後，經過濾波保護器後，施加於集成穩壓器和收發器上，在這個直流電源作用下，收發器喚醒電路工作，使收發器處於就緒狀態；集成穩壓器輸出的穩定5V電壓為單片計算機和電壓放大器提供工作電源，單片計算機的內部復位電路工作，使其處於就緒狀態，電壓放大器經過外部接口J2輸入的待測電壓經過運算放大器放大後，輸出到單片計算機的模擬/數字轉換輸入端。
通過外部接口J1向收發器發送一個規定的指令；收發器響應輸入的指令，將輸入指令轉換為單片計算機能夠接受的指令，通過與單片計算機的接口電路，將該指令發送給單片計算機；單片計算機接收該指令，根據指令的要求，啟動模擬/數字轉換電路，將電壓放大器輸出的電壓信號轉換為二進位數位訊號，並儲存在單片計算機的內部存儲器中，單片計算機根據指令對採集的電壓數據進行處理，處理完畢後，通過與收發器的接口電路，將數據發送給收發器；收發器接收到單片計算機送來的數據後，將其進行電平轉換，然後發送到外部接口J1上。
利用智能電壓傳感器可以接收外部命令的特點，可以對傳感器進行數字編址，利用三條導線(稱為總線)將多個智能電壓傳感器(或相同結構的其它傳感器)的外部接口連接起來，構成一個傳感器網絡；通過三根導線為所有智能電壓傳感器提供電源，讀取智能電壓傳感器的指令含有編址信息，只有指令編址信息與智能電壓傳感器編址信息相同的傳感器才響應指令，其它傳感器仍然處於就緒狀態。由於收發器驅動能力的限制，一般在一個傳感器網絡上最多可以接16個相同結構的智能電壓傳感器。
本實用新型主要特點為外部接口J1輸入的指令通過收發器傳送給單片計算機；單片計算機接收到指令後，按設定的工作方式，從電壓放大器讀取電壓數據；所得數據暫存於單片計算機存儲器中，經過單片計算機處理後，將數據按規定的格式發送到收發器；收發器將單片計算機發送來的數據發送到外部接口J1上；外部接口J2將外部電壓輸入到電壓放大器；電源濾波保護器與外部電源連接，以實現濾波和電源反接保護功能；濾波和保護後的電源與集成穩壓器和收發器連接；集成穩壓器輸出的穩定直流壓為單片計算機、電壓放大器提供電源。該裝置具有測量功能、數據處理功能和故障檢測功能，數字方式尋址，在同一個控制結點中最多可以連接16個傳感器，可廣泛應用於汽車、工程車輛和各種電壓測量場合。
本實用新型的電路原理圖如圖2所示，包括單片計算機、電壓放大器、集成穩壓器、收發器、電源濾波保護器、外部接口J1和外部接口J2。
單片計算機電路由單片計算機集成電路U1、電容C4、C5、C6、C7和電感L1組成。電容C4、C5、C6、C7為濾波電容；電感L1為濾波電感；集成穩壓器送來的穩壓直流電源經過VCC信號線，又經過電容C4和電容C5濾波後，加在單片計算機的電源輸入端VCC引腳上；單片計算機的3個GND引腳接電源地線；電感L1和電容C6構成的低通濾波器，將集成穩壓器輸出的直流電壓VCC進一步濾波後，接到單片計算機模擬/數字轉換器的電源輸入端AVCC引腳；電容C7是單片計算機模擬/數字轉換器的內部參考源的外置濾波電容；電壓放大器輸出的信號經過OUT信號線與單片計算機模擬/數字轉換器輸入引腳PCO相連，單片計算機啟動模擬/數字轉換器就可將此信號轉換為二進位數字；單片計算機PB0引腳通過信號線RXD接收收發器發送來的指令，由信號線RXD送往單片計算機的指令也連接到單片計算機集成電路U1的PD2引腳上，該引腳是單片計算機的外部中斷引腳，利用外部中斷可提高單片計算機響應輸入指令的速度；單片計算機PB1引腳通過信號線TXD向收發器發送數據；單片計算機PB3引腳通過信號線SLP可控制收發器，使其進入低功耗狀態；電阻R1、R2為上拉電阻，為信號線RXD和信號線TXD提供直流通路。
電壓放大器由集成運算放大器U2，電容C1、C2、C3，電阻R3、R4、R5、R6、R7、R8，限幅二極體D1組成。輸入保護電路由電阻R3、R8和D1組成；低通濾波器由電阻R6、電容C3組成；負載電阻為電阻R7。電容集成穩壓器輸出的5V直流電經過電容C2濾波後，施加於集成運算放大器U2的電源引腳，集成運算放大器U2的負電源引腳與地線連接；外部接口J2輸入的電壓信號通過信號線IN施加於電阻R3和電阻R8構成的分壓電路上，分壓後的信號經過限幅二極體D1和電阻R6、電容C3構成的低通濾波器輸入到集成運算放大器U2+輸入端；電阻R4、R5和電容C1構成運算放大器的反饋迴路，起到一個低通濾波器的作用；電阻R7為運算放大器的負載電阻；通過調節電阻R8可以改變集成運算放大器U2的輸出OUT的幅度；限幅二極體D1的作用是當輸入電壓超過5V時，使加到電阻R6、電容C3低通濾波器的電壓被箝位在5V上；電壓放大器輸出經OUT信號線輸出到單片計算機的模擬/數字轉換輸入端PC0。
集成穩壓器由穩壓集成電路U3和濾波電容C9組成，電源濾波保護器輸出的直流電壓VBAT施加於集成電路U3引腳Vin，穩壓集成電路U3的GND引腳與地線相連，穩壓集成電路U3的+5V引腳輸出穩定的5V電壓，經過電容C9濾波後，通過信號線VCC為單片計算機、電壓放大器提供工作電壓。
收發器電路由收發集成電路U4、二極體D2、電阻R9、R10、電容C12、C10組成，經過濾波保護器送來的直流電壓VBAT施加到收發集成電路U4的BAT端，為收發集成電路U4提供工作電源；電阻R10和電容C10構成一個上電喚醒電路，與收發集成電路U4的WAKE引腳連接，使U4在電源供電後處於就緒狀態；二極體D2和電阻R9構成通訊信號線LIN的負載電路，電容C12用來控制通訊過程中的電壓上升沿和下降沿，降低電磁輻射而造成的幹擾；信號線LIN與外部接口J1相連，可接收外部接口J1送來的指令，也可將單片計算機發送來的數據通過信號線LIN送到外部接口J1；信號線RXD、TXD和SLP與單片計算機的PB0、PB1和PB2相連，收發器將外部接口J1信號線LIN送來的指令信號轉換為單片計算機接收的信號，通過信號線RXD傳送給單片計算機指令接收端PB0和外部中斷接收端PD2，單片計算機發送的數據通過信號線TXD送給收發器，收發器將數據信號轉換為適合外部接口傳送的信號，並通過信號線LIN發送到外部接口J1上。
電源濾波保護器由保護二極體D3、電感L2、電容C8和電容C11構成，外部接口J1的+12V電源線經過保護二極體D3施加於電感L2和電容C8、C11組成的L型濾波電路，保護二極體採用肖特基二極體，如果外部接口電源接反，二極體D3處於截止狀態，保護智能電壓傳感器免於損壞，正常狀態下二極體D3隻有很小的壓降；經過電感L2、電容C8和電容C11濾波的外部電壓通過連線VBAT送到收發器和集成穩壓器。
外部接口J1是一個三芯的接頭，分別是+12V電源線、收發信號線LIN和地線，利用該接口可以讀取電壓數據，也可以對智能電壓傳感器進行校準、或者進行系統故障檢測。
外部接口J2是一個二芯的接頭，分別是輸入電壓信號線IN和地線，待測電壓通過信號線IN與電壓放大器輸入端連接。
權利要求1.一種智能電壓傳感器，其特徵在於包括單片計算機、電壓放大器、集成穩壓器、收發器、電源濾波保護器、外部接口J1和外部接口J2；單片計算機接受從外部接口J1並通過收發器發送來的指令，根據指令的要求，從電壓放大器讀取數據、或者進行系統故障檢測，測量的數據暫存於單片計算機內部寄存器中，經過單片計算機處理後，通過收發器發送到外部接口J1上；電壓放大器將外部接口J2輸入的模擬電壓，變換為適於單片計算機處理的電壓信號，該電壓信號輸入單片計算機電路，模擬/數字轉換；集成穩壓器為單片計算機、電壓放大器提供穩定的直流工作電源；收發器分別與外部接口J1、單片計算機連接，系統上電後喚醒電路使收發器處於待命狀態，外部接口J1發送的指令通過收發器轉換為單片計算機接受的數字指令，並為單片計算機所執行，執行的結果由單片計算機通過收發器發送到外部接口J1；電源濾波保護器用於防止電源反接，濾除外部幹擾信號，為集成穩壓器和收發器提供平穩的輸入電源；外部接口J1為智能傳感器提供能源並完成指令的輸入和數據的輸出功能；外部接口J2為放大器提供外部測量輸入信號。
2.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於單片計算機由單片計算機集成電路U1、上拉電阻R1、R2、濾波電容C4、C5、C6、C7和濾波電感L1組成。
3.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於電壓放大器由集成運算放大器U2、輸入保護電路、低通濾波器、濾波電容和負載電阻組成，輸入保護電路由電阻R3、R8和限幅二極體D1組成，低通濾波器由電阻R6、電容C3組成，負載電阻為電阻R7。
4.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於集成穩壓器由穩壓集成電路U3和濾波電容C9構成。
5.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於收發器由收發集成電路U4、喚醒電路、負載電路、與單片計算機的接口電路組成，電阻R10、電容C10構成喚醒電路，二極體D2和電阻R9構成負載電路。
6.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於電源濾波保護器由保護二極體D3、電感L2、電容C8和電容C11構成，保護二極體D3採用肖特基二極體，電感L2、電容C8、電容C11組成L型濾波電路。
7.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於外部接口J1由輸入電源線、收發信號線LIN和地線組成。
8.根據權利要求1所述的智能電壓傳感器，其特徵在於外部接口J2由輸入電壓信號線IN和地線組成。
專利摘要一種智能電壓傳感器，應用於汽車、工程車輛和各種電壓測量場合。包括單片計算機、電壓放大器、集成穩壓器、收發器、電源濾波保護器、外部接口J1和外部接口J2。外部接口J1輸入的指令通過收發器傳送給單片計算機；單片機接收到指令後，從電壓放大器讀取電壓數據；所得數據暫存於單片機存儲器中，經過處理後，將數據按發送到收發器；收發器將單片機發送來的數據發送到外部接口J1上；外部接口J2將外部電壓輸入到電壓放大器；電源濾波保護器與外部電源連接，以實現濾波和電源反接保護功能；濾波和保護後的電源與集成穩壓器和收發器連接；集成穩壓器提供電源。該裝置具有測量、數據處理能和故障檢測功能，數字方式尋址，最多可以連接16個傳感器。
文檔編號G01R19/25GK2784937SQ20052008201
公開日2006年5月31日 申請日期2005年3月31日 優先權日2005年3月31日
發明者陳勝功, 彭金明, 溫讀夫 申請人:彭金明