基于農(nóng)用STM32的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉光學(xué)

（山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

電動(dòng)機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極其廣泛，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵動(dòng)力來(lái)源之一。現(xiàn)實(shí)中的農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變且惡劣，農(nóng)用電動(dòng)機(jī)損壞現(xiàn)象嚴(yán)重，運(yùn)行前必須進(jìn)行必要的維護(hù)保養(yǎng)，運(yùn)行中也要做到監(jiān)測(cè)及時(shí)，其轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步反映各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況[1-3]。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是判斷設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)之一，轉(zhuǎn)速較大動(dòng)態(tài)變化，很可能表征著機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行存在故障，因此開(kāi)發(fā)一套轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備措施，以延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行壽命，同時(shí)避免不必要的損失。

區(qū)別于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)的精準(zhǔn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和計(jì)算功能，配合相應(yīng)的硬件設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和顯示，其輸出信號(hào)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，可在磁場(chǎng)、露天、水汽、光照等惡劣情況下正常使用[4-5]。

1 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由光電開(kāi)關(guān)傳感器、觸發(fā)圓盤(pán)、OLED、STM32單片機(jī)組成，其系統(tǒng)框架如圖1所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信息通過(guò)觸發(fā)圓盤(pán)和光電開(kāi)關(guān)傳感器獲取，并傳遞給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，單片機(jī)通過(guò)IIC通信技術(shù)將轉(zhuǎn)速信息傳遞給OLED，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的可視化。其中，單片機(jī)中含有計(jì)算處理的程序，通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)框架

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

單片機(jī)在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其性能的高低決定了自動(dòng)化設(shè)備的反應(yīng)速度和計(jì)算能力，本系統(tǒng)采用的單片機(jī)為基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，該芯片具有低功耗、低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)算要求，其引腳豐富，可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的二次開(kāi)發(fā)，添加更多的監(jiān)測(cè)功能[6]。

2.2 觸發(fā)圓盤(pán)設(shè)計(jì)

觸發(fā)圓盤(pán)為圓形板，其材質(zhì)為C45，厚度為3mm，可以起到遮光的效果，在圓板上均勻加工40個(gè)開(kāi)口槽，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果越精確，觸發(fā)圓盤(pán)如圖2所示。將觸發(fā)圓盤(pán)同軸固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)觸發(fā)圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者轉(zhuǎn)速一致，可以通過(guò)記錄圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的槽數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)速度，圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周即轉(zhuǎn)過(guò)40個(gè)開(kāi)口槽。

圖2 觸發(fā)圓盤(pán)

2.3 光電開(kāi)關(guān)傳感器模塊

光電開(kāi)關(guān)傳感器采用的型號(hào)為PU-X10，如圖3所示，可以用于檢測(cè)不透明物體，包含四根引線，其中兩根為電源線，工作電壓為24V，兩根為信號(hào)線，分別用于檢測(cè)有物體和無(wú)物體，本次主要使用檢測(cè)有物體的信號(hào)線，另一根信號(hào)線懸空即可；槽寬為10mm，其寬度允許觸發(fā)圓盤(pán)在凸槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)幅度，其檢測(cè)頻率可以達(dá)到1kHz。

當(dāng)觸發(fā)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到開(kāi)口槽處時(shí)，光電開(kāi)關(guān)傳感器接收端正常接收來(lái)自發(fā)射端的光信號(hào)，反之，光信號(hào)被遮擋，此時(shí)為檢測(cè)到不透明物體，信號(hào)線將發(fā)送電平信號(hào)至單片機(jī)，由單片機(jī)執(zhí)行計(jì)數(shù)任務(wù)[7]。

圖3 PU-X10光電開(kāi)關(guān)傳感器

2.4 OLED模塊

OLED模塊為顯示模塊，相比于TFT、LCD，其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、性價(jià)比高、功耗低、體積小、IO口占用少，工作溫度范圍為：-30℃~70℃，可適應(yīng)惡劣環(huán)境，完全可以用于轉(zhuǎn)速的信息顯示。本系統(tǒng)通過(guò)IIC通信技術(shù)將單片機(jī)中的數(shù)據(jù)傳遞到OLED屏，OLED屏實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速信息。同時(shí)OLED還支持界面設(shè)計(jì)，可以輸入漢字、ASCII、圖案等信息，實(shí)現(xiàn)顯示界面的豐富化[8]。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)Keil5軟件進(jìn)行編程及編譯，程序通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)J-link將程序拷入單片機(jī)。STM32F103ZET6單片機(jī)具有豐富的定時(shí)器，定時(shí)器中斷功能可以用于精準(zhǔn)定時(shí)，將其用于記錄觸發(fā)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)t，時(shí)長(zhǎng)越短，越能體現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)性。

外部中斷用于記錄接收來(lái)自光電開(kāi)關(guān)傳感器信號(hào)線傳遞的電平數(shù)目z，電平數(shù)目體現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)的槽數(shù)，觸發(fā)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周可以觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)傳感器40次，設(shè)置外部中斷優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)器中斷，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸每分鐘的轉(zhuǎn)速為：

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及可視化，及時(shí)反映各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，以避免造成不必要的損失。

該系統(tǒng)主要由光電開(kāi)關(guān)傳感器、觸發(fā)圓盤(pán)、OLED、STM32單片機(jī)組成，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器中斷和外部中斷功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)IIC通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的可視化。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、精度高、實(shí)用性強(qiáng)，適用于惡劣的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境，同時(shí)為其他轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)方案提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。