基于STM32單片機的轉速扭矩顯示傳輸系統的設計

郝張振，付成偉

（吉林大學 物理學院 ，吉林 長春 130012）

基于STM32單片機的轉速扭矩顯示傳輸系統的設計

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、高精度的轉速扭矩測量顯示傳輸系統。該系統以JN338型轉速扭矩傳感器為基礎，通過實時檢測傳感器產生的轉速和扭矩信號，計算出轉動設備的實時轉速和扭矩，進而實現數據的顯示與遠程傳輸。經過檢測安裝在步進電機上的JN338型轉速扭矩傳感器產生的轉速和扭矩信號，測試結果與預期目標一致。可以滿足設計檢測要求。

轉速；扭矩；STM32單片機；轉動設備

轉動設備是工業生產和科學研究中必不可少的機械設備，在日常社會生產生活中起著十分重要的作用。轉動設備工作的兩個基本物理量是轉速和扭矩，對它們進行實時準確的檢測是工業生產和科學研究的切實要求[1]，可以極大的促進由轉動設備帶動的工業生產和實驗研究的發展。而本設計所介紹的轉速扭矩測量系統將實現對轉速和扭矩的實時檢測、持續顯示以及遠距離傳輸等功能，不僅檢測時間短、數據準確，還實現了上位機的遠程檢測。

1 系統設計方案

本測試系統主要使用了 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的一種多型號轉速扭矩傳感器，用于轉速和扭矩的測量，可以給出與轉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，系統時鐘高達72 MHz[2]，保證了檢測數據在時間上的要求。MT08041AR型數碼管屬于共陰型數碼管，顯示數據時清晰、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，經單片機內部對信號進行處理、計算后控制數碼管進行數據顯示。同時使用CAN通訊進行數據的遠程傳輸[3-5]。

CAN通訊具有傳輸距離遠、抗干擾性能強的優點[6]。

系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統總體設計

2.1 硬件電路設計

硬件電路包括信號采集模塊、電壓轉換模塊、數據傳輸模塊及顯示模塊等4個部分。

JN338型傳感器轉速信號是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換。系統供電使用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電壓轉換為+5 V電壓為單片機及數碼管供電[10]。電路框圖如圖2所示[11-12]。

圖2 電壓轉換框圖

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

數據傳輸模塊采用 CAN通訊。外部使用82c250y型號的CAN總線收發器，連接STM32單片機CAN控制器和物理總線，對單片機發出的CAN信號進行差分處理，以便更好地實現數據的遠距離傳輸。

顯示模塊使用MT08041AR型數碼管，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口檢測轉速扭矩信號電平，使用單片機內部定時器定時，檢測一定時間內的高低電平轉換次數，進而計算出其頻率f[13]。該系統可以根據對其選擇的顯示類型，如轉速、扭矩（包括量程）等，進行相應的數據計算與顯示，并通過CAN通訊模塊進行數據傳輸，以實現遠程控制與顯示，便于使用[14]。

系統總體程序流程圖如圖3所示[15-16]。

圖3 程序流程圖

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

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

3 測試結果及其分析

用波形發生器給予系統13.5 kHz和225 Hz的方波信號，其波形如圖4上半部分所示，將轉速扭矩顯示傳輸系統的扭矩量程選擇為20 N*m時，測試數據如圖4左邊部分所示。

當扭矩量程為300 N*m時，測試數據圖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。其傳輸到遠程上位機的原始數據如圖4下半部分所示。

圖4 測試效果圖

4 結束語

此系統具有體積小，量程多，成本低，可遠程監測與顯示等優點，不僅充分利用了單片機提供的內部資源，而且在現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。

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[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.

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[8]趙良炳，現代電力電子技術基礎[M].清華大學出版社，1995.

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

HAO Zhang-zhen，FU 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。