基于嵌入式系統(tǒng)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)研究

龍 彬，羅維平，陳璐露

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基于嵌入式系統(tǒng)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)研究

龍 彬，羅維平*，陳璐露

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

介紹直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)利用霍爾傳感器獲取直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的數(shù)值計(jì)算直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以單片機(jī)為核心，通過人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的顯示與設(shè)定。同時(shí)，利用LabView對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和顯示，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，證明了該轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和調(diào)速效果。

霍爾傳感器；單片機(jī)；直流電機(jī)；LabView；轉(zhuǎn)速檢測(cè)

直流電機(jī)因其開關(guān)頻率高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能好、功率高，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)中。本文提出了一種基于單片機(jī)測(cè)量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。以AT89C51單片機(jī)為核心，通過霍爾傳感器（A3144E）輸出的直流電機(jī)的脈沖信號(hào)來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)編程算法，將所獲得的速度顯示在數(shù)碼管上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)獲取，并用按鍵來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)速度[1]。采用驅(qū)動(dòng)芯片L9110S驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片有兩個(gè)輸出，這兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此芯片具備較好的抗干擾能力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力[2]。以單片機(jī)為核心，通過LabView提供的串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，在LabView環(huán)境下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并進(jìn)行相關(guān)控制。測(cè)試結(jié)果表明：該檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和調(diào)速效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，由霍爾傳感器（A3144E）、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（L9110S）、按鍵、數(shù)碼管、軟件LabView等幾部分組成。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 霍爾傳感器

根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)的霍爾傳感器，在磁場(chǎng)中能檢測(cè)磁場(chǎng)并能感應(yīng)周圍磁場(chǎng)的變化。霍爾傳感器小體積、高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸測(cè)速系統(tǒng)中獲取脈沖信號(hào)，計(jì)算轉(zhuǎn)速值[3]。霍爾傳感器有線性和開關(guān)型兩種類型，線性霍爾傳感器輸出的是模擬信號(hào)，而開關(guān)型霍爾傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)[4]。該系統(tǒng)運(yùn)用的單極性開關(guān)型霍爾傳感器（A3144E），霍爾傳感器的組成由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器，溫度補(bǔ)償電路和集電極開路的輸出級(jí)幾部分組成。在一定條件下，當(dāng)有磁感應(yīng)強(qiáng)度輸入時(shí)，就會(huì)有一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)的輸出。

由霍爾傳感器的原理可知，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向的霍爾傳感器通電流并且此電流垂直于磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件就能產(chǎn)生在一個(gè)在該磁場(chǎng)強(qiáng)度下相對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)差。霍爾電勢(shì)差存在的條件下，當(dāng)保持電流不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，霍爾電勢(shì)差會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)霍爾元件相對(duì)于磁鋼運(yùn)動(dòng)并切割磁力線時(shí)，霍爾傳感器的輸出端就會(huì)有電壓信號(hào)的輸出[6]。

1.2 驅(qū)動(dòng)芯片

L9110S是兩通道功率放大專用集成電路器件，專門為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)。該芯片有兩個(gè)輸入，兼容TTL/CMOS電平，抗干擾性良好；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正向和反向運(yùn)動(dòng)，電流驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)；每通道的持續(xù)電流：750～800mA，峰值電流：1.5～2.0A；輸出飽和壓降較低；由內(nèi)置的鉗位二極管釋放的感性負(fù)載反向沖擊電流，確保了驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管時(shí)的可靠性和安全性。引腳功能如表1所示。

表1 引腳功能表

驅(qū)動(dòng)芯片L9110S能驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)，并且能控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2 測(cè)速原理

數(shù)字測(cè)量方法主要有測(cè)頻率法和測(cè)周期法。該系統(tǒng)研究主要采用測(cè)頻率法。單位時(shí)間內(nèi)，獲得信號(hào)的數(shù)量就是信號(hào)的頻率。在單位時(shí)間間隔內(nèi)，根據(jù)獲得的脈沖數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速。從某種程度上，該系統(tǒng)測(cè)速情況下的頻率即轉(zhuǎn)速。測(cè)速就是測(cè)頻。霍爾傳感器在磁場(chǎng)中總是能產(chǎn)生相同大小的電壓并且與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即能在低速情況下獲得精確的測(cè)量結(jié)果。霍爾傳感器的安裝位置決定了輸出信號(hào)的強(qiáng)弱，為了獲得最佳信號(hào)效果，通過多次實(shí)驗(yàn)，確定霍爾傳感器距離電機(jī)外殼的最佳安裝位置。磁鋼在旋轉(zhuǎn)過程中能產(chǎn)生的垂直磁場(chǎng)和平行磁場(chǎng)的信號(hào)，霍爾傳感器能感應(yīng)這種磁場(chǎng)信號(hào)，轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)一周的過程中能產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)固定的脈沖，通過霍爾傳感器獲取該脈沖并送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，能輸出直流電機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)速值。在轉(zhuǎn)盤上增加幾個(gè)磁鋼可以提高檢測(cè)的精度[5]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示模塊

3.1.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

該系統(tǒng)采用單極性開關(guān)型霍爾傳感器A3144E實(shí)施轉(zhuǎn)速測(cè)量。將固定有磁鋼的非磁轉(zhuǎn)盤固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，目的是為了當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤也能夠隨著電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度同步，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器能夠感應(yīng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，并產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，通過記錄單位時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖數(shù)，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。

在控制系統(tǒng)原理圖2中，霍爾傳感器A3144E的輸出引腳OUT與單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1（P3.3）引腳相連，引腳OUT外接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)霍爾傳感器感應(yīng)到磁鋼的磁場(chǎng)時(shí)，引腳OUT端輸出一個(gè)低電平，反之，引腳OUT端輸出一個(gè)高電平。霍爾傳感器的電平從高到低的過程中，下降沿可觸發(fā)外部中斷1計(jì)數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器加1，通過控制計(jì)數(shù)的時(shí)間即可計(jì)算出計(jì)數(shù)器數(shù)值對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。

3.1.2 顯示模塊

轉(zhuǎn)速顯示采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值，字碼線經(jīng)過上拉排阻接單片機(jī)的P0引腳，四位位碼線分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳（如圖2所示）。通過軟件編程，能夠?qū)@得的電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上。

3.2 轉(zhuǎn)速控制模塊

控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)，通過八個(gè)按鍵控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按鍵可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、全高速、高速、低速、次低速等六種速度形式[7]。八個(gè)按鍵與單片機(jī)的P1引腳相連（如圖2所示）。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)芯片L9110S，該芯片有兩組輸入和輸出，輸入IA和IB分別與單片機(jī)的P2.1和P2.2引腳相連（如圖2所示），控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，OA和OB與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)芯片上的引腳5和引腳6接+5V的高電平，引腳1和引腳4接低電平。驅(qū)動(dòng)芯片功能引腳如表1所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)，包括獲取A3144E采集的脈沖信號(hào)、脈沖計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)速顯示和按鍵對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制等部分。總體程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

根據(jù)圖2的硬件電路設(shè)計(jì)原理圖可知，單片機(jī)的外部中斷1工作在計(jì)數(shù)模式下，對(duì)霍爾傳感器獲取的脈沖計(jì)數(shù)；定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0工作在定時(shí)模式下，控制計(jì)數(shù)的時(shí)間。轉(zhuǎn)速值的計(jì)算公式如下：

式中：n為轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分鐘；N為采樣時(shí)間內(nèi)脈沖，N=256*TH0+TL0；T為采樣時(shí)間，單位：分鐘；m為每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

根據(jù)編程的原則，將轉(zhuǎn)速值分解為四位，分別顯示在數(shù)碼管上，通過單片機(jī)的P0口和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳分別控制字選和位選。電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過L9110S上的OA和OB控制。

5 系統(tǒng)仿真與結(jié)論

上位機(jī)LabView的初始界面、低速、高速、全高速條件下，速度、平均速度及波形如圖4所示。啟動(dòng)系統(tǒng)，連接硬件設(shè)備，測(cè)試三種轉(zhuǎn)速條件下，LabView軟件界面上所顯示的速度、平均速度和波形。

圖4 上位機(jī)初始界面

圖5 低速檔位下速度、平均速度及波形

由圖5可知，三組數(shù)據(jù)誤差也在正常范圍內(nèi)，說明此檔位下速度穩(wěn)定，外界干擾較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

由圖6可知，三組數(shù)據(jù)誤差也在正常范圍內(nèi)，說明此檔位下速度穩(wěn)定，外界干擾較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。 由圖7可知，三組數(shù)據(jù)誤差超出正常范圍，說明此檔位下速度不穩(wěn)定，外界干擾較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠，此組數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該舍棄。

圖6 高速檔位下速度、平均速度及波形

圖7 全高速檔位下速度、平均速度及波形

綜上所述，該系統(tǒng)在低速和高速情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定，在全高速狀態(tài)下，系統(tǒng)受干擾較大。在以后的研究中，可以從如何減少系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能下入手研究，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

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The research of the DC motor speed detection system based on embedded system

LONG Bin, LUO Wei-ping, CHEN Lu-lu

( School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

This article mainly introduced DC motor test and control system hardware circuit and software design method. System by DC motor with hall sensor measurement of the pulse signal, the calculation of the dc motor speed, with the single chip processor as the core, through the man-machine interface display and set the rotation speed of dc motor. At the same time, using LabView to real-time tracking and data display, through the experiment test and data analysis, it proves that the speed detection system has good stability, real-time and good control effect.

hall-effect sensors; single-chip microcomputer; DC motor; LabView; speed detection

TN253

A

2095－414X(2017)03－0060－04

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與智能控制、信號(hào)與信息處理.