一種基于STM32的帶輪多參數檢測儀設計

摘 要本文設計了一種基于STM32單片機的帶輪多參數檢測儀，利用多路電感式及氣動傳感器，搭建了檢測儀的基本機械結構和電氣控制方案。測量高效可靠、安全性好、操作簡便，為現行工廠汽車電動助力驅動帶輪的多參數檢測提供了可靠途徑，具有重要的現實意義。

【關鍵詞】STM32單片機 多參數 電感及氣動傳感器 電氣控制

1 前言

本論文介紹了機械平臺方案及原理設計、傳感器信號處理和采集電路、以STM32為核心的電磁閥、步進電機等外圍硬件驅動電路設計。

2 機械結構方案及測量原理

被測帶輪安裝于氣動塞規上，步進電機驅動塑膠小齒輪與被測帶輪嚙合傳動。塑膠齒輪壓緊被測帶輪，被測帶輪與氣動塞規的貼合面作為測量基準。帶輪在塑膠輪的嚙合下轉動一周，位于橫軸、縱軸的電感式傳感器以及塞規內的三組氣動測頭按一定時間間隔在工件上連續采樣。氣動塞規內安裝的三組氣動測頭用于檢測內徑等信息，帶輪軸向和徑向垂直安裝的三組電感式位移傳感器用于測量帶輪高度、外徑、平行差、外圓跳動等參數。

3 硬件電路設計

3.1 信號處理電路設計

通常，傳感器輸出信號具有種類多、信號微弱、易衰減、易受干擾等特點。故而信號需經過一些預處理、信號的調制與解調、信號的非線性校正、信號的限幅或放大、濾波處理、阻抗匹配、AD轉換等，從而濾除傳感器信號的高頻分量、提高傳感器信號的抗干擾能力、使輸入級的輸入阻抗和傳感器的輸出阻抗相匹配。本文最終設計的信號處理電路如圖1所示。

3.1.1 限幅電路設計

本部分設計電路中利用5.6V的穩壓二極管1N4734和串聯200Ω電阻的方法將輸出信號鉗制在-0.7V和5.6V之間。1N4734穩定電壓UZ為5.6V，在2.0V反向工作電壓下，其最大漏電流為10uA。以第一路傳感器信號處理電路為例，本設計中R88取值為200Ω，此時由于漏電流在R88上產生的壓降Ur約為2mV，幾乎可以忽略，若取值過大，勢必造成傳感器信號的更大衰減。當傳感器輸出最大電壓Um達9V時，此時R88上壓降約為3.4V，R88通過的最大電流Im約為17mA，可由公式（1）計算得出。

Im=（Um-UZ）/R88 （1）

由式（1）可知，當R88過小時，二極管穩壓狀態下，其通過的電流勢必增大，而這電流由傳感器內部提供，長期過載使用會減小傳感器使用壽命，更甚者會直接燒壞傳感器。

3.1.2 分壓和濾波電路設計

在限幅電路中，R88作為限流電阻存在，同時由于分壓電路的設計，其也作為分壓電阻的一部分而存在。故本部分設計電路中，分壓電路是有電阻R88、R1、R3和可調電阻R7構成的。已知要求分壓系數K=0.6，分壓電阻的計算公式如（2）所示。

K=（R3+R7）/（R88+R1+R3+R7） （2）

最終分別取R1=47K，R3=68K，R7=5K，R7可調電阻用于微調分壓系數。由于電阻用于傳感器的精確分壓以及測量系統工業環境的應用，對分壓電路的電阻精度和溫度特性要求很高，R1和R3在此均使用0.1%的阻值誤差，10個PPM的超低溫漂系數，并聯的鉭電容C3用于濾除傳感器信號的高頻干擾。

3.1.3 跟隨電路的設計

跟隨電路中，電壓串聯負反饋且反饋系數為1，故Uo=Ui。MAX44251采用專有的自相關歸零技術，直流失調和偏移接近于零。電壓跟隨器在這里的作用是阻抗變換作用，一方面，將輸入阻抗變得很高，另一方面，輸出阻抗變得很低，AD輸入阻抗對跟隨電路的輸出信號的影響可以做到很小。

3.2 閥門驅動電路設計

電磁閥的開關決定氣缸的執行動作，是本系統自動化檢測中重要基礎元件。合理的驅動設計、完善的隔離措施、可靠的保護回路是保證電磁閥控制的精度和靈活性的關鍵，也是保證硬件系統可靠性和安全性的關鍵。閥門驅動電路如圖2所示。

BC639-16的集電極和發射級之間安全電壓Vceo=80V，集電極最大能承受電壓Ic=1A，直流放大倍數hFE范圍為100～250，已知電磁閥線圈電阻約在200Ω左右，電源U=24V，正常工作時電源需提供電流IC約120mA左右，根據公式（3）知基級只需很小的電流便足以使三極管達到飽和從而驅動電磁閥正常工作。

IB=IC/hFE （3）

由圖2可知，當光耦控制端為低電平時，受光器接收到光線，并產生光電流，輸出端導通，進而使Q12導通，電磁閥在24V電壓下正常工作。反之，當F1為高電平時，電磁閥斷開。上拉電阻R52防止F1在電平狀態不確定時，電磁閥出現誤導通情況。R38和R46將24V電源分壓，確保光耦輸出端工作在合適的電壓下。二極管D7用于泄放反向電動勢，防止電磁閥開關動作瞬間產生的感應電流燒毀三極管Q12，從而起到保護元器件的作用。

3.3 步進電機驅動電路設計

擬定被測帶輪旋轉一周用時2S，即被測帶輪轉速為N1=0.5轉/秒，已知所選42步進電機減速比為5，被測帶輪齒數Z1=124，與被測帶輪嚙合旋轉的小塑膠輪齒數Z2=80，一個齒輪傳動副中，兩嚙合齒輪轉速和齒數關系公式如（4）所示。

N1/N2=Z2/Z1； （4）

由式（4）可求出小塑膠輪轉速為N2=0.775轉/秒，根據公式減速比為輸入轉速與輸出轉速之比可知電機輸入轉速N=3.875轉/秒。設驅動器選用800脈沖/轉的細分設置，可計算出PWM脈沖頻率為3.1K。

電機驅動器采用共陽極接法，本系統最終設計的電機驅動電路如圖3所示。由于PWM脈沖頻率為3.1K，響應速度不高，同時兼顧經濟原則，故采用TP521作為隔離和驅動的光耦器件。

4 總結

本文針對現行工廠帶輪檢測設備落后、功能單一等缺點，提出了新的檢測儀設計方案，并簡要闡述了機械結構方案和設計原理，著重介紹了電氣控制的硬件電路設計，為現行企業的設備升級提供了切實可靠的路徑，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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作者簡介

龔陽波（1989-），男，湖南省張家界市人。碩士學位。研究方向為智能儀表。

作者單位

合肥工業大學儀器科學與光電工程學院 安徽省合肥市 230000