基于STM32單片機的轉(zhuǎn)速扭矩顯示傳輸系統(tǒng)的設計

郝張振，付成偉

（吉林大學 物理學院 ，吉林 長春 130012）

基于STM32單片機的轉(zhuǎn)速扭矩顯示傳輸系統(tǒng)的設計

郝張振，付成偉

（吉林大學 物理學院 ，吉林 長春 130012）

該設計是一款多量程、高精度的轉(zhuǎn)速扭矩測量顯示傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以JN338型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器為基礎，通過實時檢測傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩信號，計算出轉(zhuǎn)動設備的實時轉(zhuǎn)速和扭矩，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與遠程傳輸。經(jīng)過檢測安裝在步進電機上的JN338型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩信號，測試結果與預期目標一致。可以滿足設計檢測要求。

轉(zhuǎn)速；扭矩；STM32單片機；轉(zhuǎn)動設備

轉(zhuǎn)動設備是工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中必不可少的機械設備，在日常社會生產(chǎn)生活中起著十分重要的作用。轉(zhuǎn)動設備工作的兩個基本物理量是轉(zhuǎn)速和扭矩，對它們進行實時準確的檢測是工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的切實要求[1]，可以極大的促進由轉(zhuǎn)動設備帶動的工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究的發(fā)展。而本設計所介紹的轉(zhuǎn)速扭矩測量系統(tǒng)將實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和扭矩的實時檢測、持續(xù)顯示以及遠距離傳輸?shù)裙δ埽粌H檢測時間短、數(shù)據(jù)準確，還實現(xiàn)了上位機的遠程檢測。

1 系統(tǒng)設計方案

本測試系統(tǒng)主要使用了 JN338型傳感器、STM32F103VET6單片機和MT08041AR 0.8寸4位共陰型數(shù)碼管等元器件。JN338型傳感器是北京新宇航世紀科技有限公司生產(chǎn)的一種多型號轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，用于轉(zhuǎn)速和扭矩的測量，可以給出與轉(zhuǎn)速和扭矩相關的方波信號，供外界進行檢測。STM32F103VET6單片機芯片具有多達幾十個可用輸入輸出端口，系統(tǒng)時鐘高達72 MHz[2]，保證了檢測數(shù)據(jù)在時間上的要求。MT08041AR型數(shù)碼管屬于共陰型數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)時清晰、直觀。

傳感器輸出的脈沖信號由單片機I/O端口進行捕獲采集，經(jīng)單片機內(nèi)部對信號進行處理、計算后控制數(shù)碼管進行數(shù)據(jù)顯示。同時使用CAN通訊進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸[3-5]。

CAN通訊具有傳輸距離遠、抗干擾性能強的優(yōu)點[6]。

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 硬件電路設計

硬件電路包括信號采集模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及顯示模塊等4個部分。

JN338型傳感器轉(zhuǎn)速信號是5 V的TTL脈沖信號，而STM32單片機I/O端口電壓為3.3 V，信號不匹配，采用預處理電路將信號處理為3.3 V，輸入單片機I/O端口，以滿足信號采集的電平需求[7-8]。

為了方便使用，系統(tǒng)供電使用220 V的市電，JN338型傳感器需要±12 V的直流電供電，單片機和數(shù)碼管需要+5 V直流電壓供電，所以需要先對電壓信號進行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)供電使用JMD20-D15型號的開關電源，輸入電壓為220 V的市電，輸出電壓為±15 V的直流電，再使用MC7812和MC7912降壓芯片將±15 V電壓轉(zhuǎn)換為±12 V電壓供JN338型傳感器使用[9]；同時使用LM2596降壓模塊將+15 V電壓轉(zhuǎn)換為+5 V電壓為單片機及數(shù)碼管供電[10]。電路框圖如圖2所示[11-12]。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換框圖

為了減小單片機的數(shù)據(jù)處理時間，將單片機接收JN338型傳感器輸入數(shù)據(jù)的端口配置為定時器捕獲模式，使其自動計數(shù)，不消耗單片機的程序處理時間。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用 CAN通訊。外部使用82c250y型號的CAN總線收發(fā)器，連接STM32單片機CAN控制器和物理總線，對單片機發(fā)出的CAN信號進行差分處理，以便更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。

顯示模塊使用MT08041AR型數(shù)碼管，將其各個引腳與STM32單片機控制顯示的對應I/O端口相連接。

2.2 軟件設計

在信號采集時，由單片機I/O口檢測轉(zhuǎn)速扭矩信號電平，使用單片機內(nèi)部定時器定時，檢測一定時間內(nèi)的高低電平轉(zhuǎn)換次數(shù)，進而計算出其頻率f[13]。該系統(tǒng)可以根據(jù)對其選擇的顯示類型，如轉(zhuǎn)速、扭矩（包括量程）等，進行相應的數(shù)據(jù)計算與顯示，并通過CAN通訊模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)遠程控制與顯示，便于使用[14]。

系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示[15-16]。

圖3 程序流程圖

其中，Mp為正向轉(zhuǎn)矩，MR為反向轉(zhuǎn)矩，N為轉(zhuǎn)矩滿量程，f0為此轉(zhuǎn)矩零點輸出頻率值 （kHz），fp為正向滿量程輸出頻率值（kHz），fr為反向滿量程輸出頻率值（kHz），f為實測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值（kHz）。

轉(zhuǎn)速換算關系為：n=60f/Z，其中n為轉(zhuǎn)速（r/min），Z為傳感器測速盤齒數(shù)。

3 測試結果及其分析

用波形發(fā)生器給予系統(tǒng)13.5 kHz和225 Hz的方波信號，其波形如圖4上半部分所示，將轉(zhuǎn)速扭矩顯示傳輸系統(tǒng)的扭矩量程選擇為20 N*m時，測試數(shù)據(jù)如圖4左邊部分所示。

當扭矩量程為300 N*m時，測試數(shù)據(jù)圖4中間部分所示：

誤差在（2 100-2 098）/2 100≈0.000 95=0.95‰左右，足以滿足設計測量要求。其傳輸?shù)竭h程上位機的原始數(shù)據(jù)如圖4下半部分所示。

圖4 測試效果圖

4 結束語

此系統(tǒng)具有體積小，量程多，成本低，可遠程監(jiān)測與顯示等優(yōu)點，不僅充分利用了單片機提供的內(nèi)部資源，而且在現(xiàn)有的測量儀器基礎上進行了眾多改進，使其測量效果更加顯著。

[1]李娜娜，吳伯農(nóng)，于鵬，等.采用光電方式測量轉(zhuǎn)軸扭矩的原理研究[J].光機電信息，2008（10）:45-50.

[2]劉火良.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]袁希光.傳感器技術手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[4]張福學.傳感器應用及其電路精選 [M].北京：電子工業(yè)出版社，1991.

[5]曹金洪.新編電工實用手冊 [M].天津：天津科學技術出版社，2014.

[6]孫涵芳.單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[7]秦曾煌.電工學[M].高等教育出版社，1999.

[8]趙良炳，現(xiàn)代電力電子技術基礎[M].清華大學出版社，1995.

[9]楊恩霞，田仁，紀鑫.非接觸式在線動態(tài)扭矩測量裝置的設計[J].應用科技，2006，33（10）:60-62.

[10]趙新民.智能儀器設計基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999.

[11]童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1982.

[12]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13]李增國.傳感器與檢測技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[14]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007.

[15]常斗南.可編程序控制器原理、應用、實驗[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[16]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

Design of a speed torque display and transmission system based on STM32 MCU

HAO Zhang-zhen，F(xiàn)U Cheng-wei
（College of Physics，Jilin University，Changchun 130012，China）

The outcome of this design is a multiple scale，high-precision system which is used to measure，display and transmit the speed torque.This system is based on the characteristics of JN338 type speed torque sensor.The speed and torque signals are real-time detected by speed torque generated by the sensor.Then the speed and torque of rotating equipment are calculated through signal processing and data operations so that they are displayed and transmitted.By tested the signal of rotation speed and torque produced by the JN338 sensor of rotation speed and torque which mounted on stepper motor，the test results and the expected goal is consistent.It can meet the requirements of tested design.

speed；torque；STM32 microcontroller；rotating equipment

TN919.5

：A

：1674－6236（2017）05-0116-03

2016-03-03稿件編號：201603034

郝張振（1990—），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：汽車電子及單片機應用技術。