专利名称：一种步进电机水深测量装置的制作方法
技术领域：
一种步进电机水深测量装置
駄舰
本实用新型涉及水深测量装置，自动检测技术领域，具体涉及一种步进电 机水深测量装置。 背暈技术
目前，测量水深的方法有好几种，如静压力一电阻变换的扩散硅方法、液 相界面波反射一距离变换的超声波方法以及液体介质介电系数一电容变换的 电容方法等。基于这些原理方法的仪表产品在工业领域获得了广泛的应用。然 而在水利行业，由于测量装置必须置于野外，并经受酷暑、严寒以及风雨雷电 的严峻考验，使用环境十分恶劣。超声波方法不仅受温度影响，而且在下雨时
雨滴会使超声波产生散射和反射影响测量；电容方法受环境温度影响且水文测 量对象的水位变化非常之大，所以这些测量方法在水文测量领域几无应用，目 前广泛应用的是扩散硅压阻式液位传感器。但是这种测量仪器在野外易受潮湿 空气影响，当湿度加大、空气结露并逐渐积聚在参考压力室一端时，会使测量 值产生严重漂移。另外，浸入水中的测量探头其密封性能在长时间的压力作用 下将渐渐退化，因此产品寿命大受影响。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种测量精确、适 应野外严酷的自然环境的步进电机水深测量装置。
本实用新型目的通过如下技术方案实现 一种步进电机水深测量装置，二片测量电极通过双芯电极电缆的一端与 相连接前置放大电路电气连接，前置放大电路与微处理器电气连接，微处理器 还分别与电机驱动器、显示驱动器电气连接，显示驱动器与显示数码管电气连 接；电机驱动器输出端与步进电机相连，步进电机通过安装在其输出轴上的绳 轮以及与绳轮连接的钢绳与二片测量电极连接。
为进一步实现本实用新型的目的，所述微处理器、显示驱动器、显示数 码管和步进电机驱动器设置在电气线路板上，电气线路板置于防水机箱中。
所述步进电机通过支承板安装在支架板上，支架板嵌入混凝土地基中。 所述支架板上设有零位开关，零位开关经缓冲后与微处理器相连。所述二片测
量电极固定安装于电极外罩上。所述微处理器为AT89C2051型单片微处理器。 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果
(1) 本实用新型充分利用了步进电机步进的步距角与直线位移距离严格 线性的特点，再配上步进细分驱动电路，可以达到很高的测量精度，测量原理 不同于传统方法。
(2) 本实用新型的测量元件只是一对普通电极，不需要象扩散硅压阻式 液位传感器那样严格密封，不受周围环境干扰影响，能够耐受严酷的野外环境。
(3) 测量稳定不漂移。感测电极只需测量有水和无水两种状态，它与环
境温度、湿度完全无关。
(4) 维护调整十分容易。步进马达、测量电极、驱动电路及数显部分是 各自独立的，因此可以对每一独立部分分别进行调整、维护或更换，这大大降 低了装置的运行维护费用。
总体来说，本实用新型充分利用了步进电机的步进特点，配上液面感测电 极，只需测量有水和无水两种状态，与周围环境温度、湿度完全无关，结构简 单，则测量可以达到很高的精度，适合水利水文野外测量环境。
图1为本实用新型步进电机水深测量装置结构示意图。 图2为图1中电气线路板电气原理图。 图3是微处理器工作程序流程框图具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一 步地描述。
如图l、 2所示，步进电机水深测量装置包括步进电机4、绳轮2、零位 开关3、测量电极9、电极外罩8、钢绳IO、电极引线电缆ll、机箱12和电 气线路板13。 二片测量电极9通过双芯电极电缆11与前置放大电路23电气 连接，前置放大电路23与微处理器20电气连接，微处理器20还分别与电机 驱动器24、显示驱动器21电气连接，显示驱动器21与显示数码管22电气连 接。电机驱动器24输出端与步进电机4相连，步进电机4通过安装在其输出 轴上的绳轮2以及与绳轮2连接的钢绳10与二片测量电极9连接，测量电极 9从上往下伸入须测量的水文7面上。步进电机4通过支承板5安装在支架板 1上，支架板1嵌入混凝土地基6中。二片测量电极9固定安装于电极外罩8 上。支架板1上设有零位开关3，作为系统原点定位之用，当电极外罩8碰触 零位开关3，即表明系统回复原点。零位开关3经缓冲后与微处理器(20)相 连。微处理器20、显示驱动器21、显示数码管22、步进电机驱动器24设置 在电气线路板13上，电气线路板13置于防水机箱12中。
前置放大变换电路23由第四 第六电阻R4 R6、第一、第二三极管Ql、 Q2和缓冲非门IC2:B构成。二片测量电极9分别与第一三极管Ql和第四电 阻R4连接，第五电阻R5—端同第一三极管Q1基极连接，另一端接地，第一 三极管Ql发射极与第三三极管Q2基极连接，两三极管的集电极并连后与缓 冲非门IC2:B连接，缓冲非门IC2:B与微处理器20连接；两三极管的集电极 还与第六电阻R6连接，第四、第六电阻R4、 R6分别与电源连接。缓冲非门 IC2:B型号为74HC14。微处理器(CPU) 20为AT89C2051型单片微处理器。 以及第九电阻R9、第十电阻RIO、第九电容C9、第1 第4 二极管D1 D4 连接构成。第一二极管D1和第二二极管D2的一端接步进电机A相绕组，另 一端接地。第三二极管D3和第四二极管D4的一端接步进电机B相绕组，另 一端也接地。这四个二极管在绕组驱动换相时用来泄放电机绕组电流以保护二 相步进电机驱动集成电路IC3中的功率晶体管，以避免电压过高而损坏。二相 步进电机驱动集成电路IC3型号为TA8435，第九电阻R9、第十电阻R10用来限制步进电机4每相绕组中的电流，电容C9决定二相步进电机驱动集成电 路IC3中PWM的斩波频率。显示驱动器21由三个串行一并行移位寄存器 IC4 IC6以及与其连接的限流电阻R11 R34构成。串行一并行移位寄存器 IC4 IC6型号为74HC595，它们接收微处理器发送过来的串行码，然后将串行 码变换成数码管可以显示的七段码并行输出。数码显示22由三个共阳高亮数 码管DG1 DG3组成，负责显示水深数据。零位检测由零位开关3、第一电阻 R1和第四电容C4、缓冲输出及缓冲非门IC2:F构成，当电极外罩压住零位开 关3时，缓冲非门IC2:F的输出产生由低到高的变化。
如图3所示，使用时，假定系统起初位于原点，且内部计数器清零。此时 微处理器20发出指令脉冲驱动步进电机转动，同时钢绳10与二片测量电极9 垂直向下移动。每走一步微处理器都扫描一次电极输入信号。若电极未触水， 则驱动电机再走一步，如此重复，直到电极接触水面。当测量电极触水后，两 电极间大约有150千欧左右电阻，此时有微弱电流经电源、电阻R4、电极和 水流入Ql基极，经过两三极管Ql、 Q2两级放大后，三极管Q2即由截止变 为导通，缓冲非门IC2:B输出由低电平变到高电平，微处理器监测到这一变化 后即停止电机运行。由于每个步进脉冲的位移当量严格确定，所以可根据总 步数计算出原点到液面的距离，再由水利工程相关高程数据立即可求得水深。
应用时，先选一个二相或四相步进电机4，例如42BYGH41-556型四相步 进电机，加工一个绳轮2并将之安装在电机输出轴上，再选用细钢绳10—根， 将它的一端固定在绳轮1上，另一端与测量电极9的电极外罩8相连。用不锈 钢或铜材料制作测量电极9，再用绝缘材质制作电极外罩8，并把测量电极9 固定在电极外罩8内。将测量电极9引线电缆的一端与二电极相连，另外一端 与电气线路板13上的前置放大电路23相连。然后用角钢或钢板在待测量的水 面上方制作一个步进电机固定支架板l，并将步进电机4安装固定到位。在支 架板上安装一个零位开关3作为系统原点定位之用，当电极外罩碰触该行程开 关，即表明系统回复原点。按原理图2设计好电气线路板13,将前置放大电
路23、步进电机驱动电路24、显示驱动器21与显示数码管22各单元中的元 器件安装在印制电路板上。然后将电气线路板置于野外防水机箱12内，并做 好防雷接地。设置微处理器工作程序并联机调试。将水深信号用无线或有线方 式传送到监测中心，以供三防指挥中心调度和决策之用。依照上述方法实施制 作的测量装置对20米范围内的水库水位进行了连续跟踪测量，结果表明该装 置工作稳定，测量精度可达8%。，这足以满足水利水文监测需要。
以上所述仅为本实用新型较佳的可行实施例，并非因此限定本实用新型的 保护范围，故凡应用本实用新型说明书或附图内容所进行的等效结构变化，均 包含于本实用新型保护范围内。
权利要求1、一种步进电机水深测量装置，其特征在于，该装置的二片测量电极(9)通过双芯电极电缆(11)的一端与相连接前置放大电路(23)电气连接，前置放大电路(23)与微处理器(20)电气连接，微处理器(20)还分别与电机驱动器(24)、显示驱动器(21)电气连接，显示驱动器(21)与显示数码管(22)电气连接；电机驱动器(24)输出端与步进电机(4)相连，步进电机(4)通过安装在其输出轴上的绳轮(2)以及与绳轮(2)连接的钢绳(10)与二片测量电极(9)连接。
2、 根据权利要求1所述的步进电机水深测量装置，其特征在于所述微处理 器(20)、显示驱动器(21)、显示数码管(22)、步进电机驱动器(24)设置在 电气线路板(13)上，电气线路板(13)置于防水机箱(12)中。
3、 根据权利要求l所述的步进电机水深测量装置，其特征在于所述步进电 机(4)通过支承板(5)安装在支架板(1)上，支架板(1)嵌入混凝土地基(6)中。
4、 根据权利要求3所述的步进电机水深测量装置，其特征在于所述支架板 (1)上设有零位开关(3)，零位开关(3)经缓冲后与微处理器(20)相连。
5、 根据权利要求1所述的步进电机水深测量装置，其特征在于所述二片测 量电极(9)固定安装于电极外罩(8)上。
6、 根据权利要求1所述的步进电机水深测量装置，其特征在于所述微处理 器(20)为AT89C2051型单片微处理器。
专利摘要本实用新型公开了一种一种步进电机水深测量装置，该装置的二片测量电极(9)通过双芯电极电缆(11)的一端与相连接前置放大电路(23)电气连接，前置放大电路(23)、电机驱动器(24)、显示驱动器(21)电气分别与微处理器(20)电气连接，显示驱动器(21)与显示数码管(22)电气连接；电机驱动器(24)输出端与步进电机(4)相连，步进电机(4)通过安装在其输出轴上的绳轮(2)以及与绳轮(2)连接的钢绳(10)与二片测量电极(9)连接。该装置充分利用了步进电机的步进特点，只需测量有水和无水两种状态，与周围环境温度、湿度完全无关，结构简单，则测量可以达到很高的精度，适合水利水文野外测量环境。
文档编号G01F23/22GK201069380SQ200720053329
公开日2008年6月4日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者胡兴刚 申请人:华南理工大学