基于STM32單片機的電機轉速測量儀設計

無錫科技職業(yè)學院 史 萍 張 瑾

為了實現(xiàn)電機測速的高性能、低成本、低功耗，本文設計了一種基于STM32F103CET6單片機控制的電機轉速測量儀，用OLED屏顯示其每分鐘轉速和電機圖片。采用霍爾傳感器接收電機旋轉信號，經(jīng)過上拉處理后送STM32單片機，單片機用中斷的方式進行處理，通過連續(xù)兩次接收到傳感器信號的時間差確定每分鐘電機的轉速。該測速儀便于功能擴展、電路結構簡潔、性能價格比高、實用性強。

隨著芯片技術及其開發(fā)軟件的不斷發(fā)展，許多控制功能可以采用嵌入式技術來完成，這樣就為電機的精準測速提供了便捷，通過測速可以反應設備運行是否正常以及確定定位精度。本測速儀把嵌入式STM32單片機技術運用到電機測速系統(tǒng)中，不但可以提高性能，而且還可以降低功耗，進而減少系統(tǒng)成本。另外，霍爾傳感器利用磁感應測速抗外界干擾能力強且靈敏度高，進一步提高了測速精度。

1 電機測速儀硬件設計

電機測速儀硬件設計框圖如圖1所示，霍爾傳感器模塊將感應到的電機信號經(jīng)過處理成為脈沖信號，該脈沖信號作為中斷信號送STM32F103CET6單片機，單片機進行信息處理，最后送ALIENTEK OLED顯示模塊，該模塊采用8080并行模式，OLED屏顯示中英文漢字、電機轉速和電機圖片。

圖1 電機測速儀硬件設計框圖

1.1 霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊組成如圖2所示，圖中霍爾傳感器型號為3144，1腳接電源（電源范圍為4.5V至24V，本設計選擇5V供電），2腳接地，3腳接10K的上拉電阻連3.3V電源，然后接STM32單片機的PE2腳。

霍爾傳感器模塊中的霍爾傳感器預先安裝固定，在電機的旋轉部位安裝導磁性能優(yōu)良的磁鋼，當電機旋轉時將帶動磁鋼接近霍爾傳感器，此時霍爾傳感器3腳將輸出信號送給單片機，電機不轉時霍爾傳感器輸出高電平，當電機旋轉時霍爾傳感器接近磁鋼將輸出低電平。

圖2 霍爾傳感器模塊組成

1.2 STM32F103ZET6單片機

STM32F103ZET6單片機為中低端的32位增強型微處理器，由意法半導體公司制造，其內核基于Cortex-M3即采用哈佛結構，運用三級流水線處理機制并增加了分支預測功能，完全基于硬件進行中斷處理，中斷處理速度快；最高工作頻率達72MHz，片內Flash為512K，指令運行周期短；3.3V供電，為低功耗芯片；該芯片集成了Timer、ADC、SPI，I2C及UART等多種外設功能，易于功能擴展。其端口PA～PG可根據(jù)需要定義成輸入或輸出及多種復用口，這樣PCB板的設計人員不必把某些信號在板上繞一大圈完成聯(lián)接，既便于PCB的設計又減少了信號的交叉干擾。

圖3 單片機和OLED模塊插座連接圖

單片機和OLED模塊插座連接如圖3所示，圖中U3為STM32F103ZET6單片機，J1為OLED模塊連接插座，OLED的片選信號OLED_CS和單片機的PD6相連，OLED的寫數(shù)據(jù)信號OLED_WR和單片機的PG14相連，OLED的讀數(shù)據(jù)信號OLED_RD和單片機的PG13相連，OLED的硬復位信號OLED_RST和單片機的PG15相連，OLED的命令/數(shù)據(jù)標志信號OLED_RS和單片機的PD3相連，OLED的數(shù)據(jù)信號D0～D7分別和單片機的PC0～PC7相連。

圖3中U3的PE2接霍爾傳感器模塊送來的信號。U3的8腳和9腳間接外部低頻32.768KHz晶振，晶振JZ2和電容C7、C6構成晶體振蕩電路。U3的23腳和24腳間接外部高頻8MHz晶振，同樣晶振JZ1和電容C2、C3也構成晶體振蕩電路。U3的33腳接電源并對地接電容作去耦處理，起保護芯片作用，30腳接地。

圖4 OLED顯示模塊

1.3 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊如圖4所示，圖中OLED1為OLED12864液晶顯示屏，可以顯示128×64個點，J2為OLED顯示模塊插頭，與圖3中的J1配對使用，OLED1的BS1和BS2分別接J3和J4的TP信號，通過跳線帽短接3.3V電源或地，接電源時信號值為‘1’，接地時信號值為‘0’，BS1、BS2為不同信號值代表不同的工作模式，如表1所示，當BS1和BS2為“00”時，OLED工作于4線SPI模式；當BS1和BS2為“10”時，OLED工作于I2C模式；當BS1和BS2為“01”時，OLED工作于8位6800模式；當BS1和BS2為“11”時，OLED工作于8位8080模式。本設計中OLED模塊采用8位8080工作模式。

表1 OLED模塊工作模式

OLED的優(yōu)點是具備自發(fā)光特性，不需背光源，高辨率為128×64；其使用了非常薄的涂層和玻璃基板，厚度可以做得較薄，可用于撓曲性面板。其缺點是尺寸難以實現(xiàn)大型化和沒有顯存，它的顯存依賴于SSD1306驅動芯片，顯存大小為128×64位，這些顯存分8頁，每頁包含了128個字節(jié)。

2 電機測速儀軟件設計

2.1 電機測速儀軟件流程圖

電機測速儀軟件流程圖如圖5所示，先進行初始化，然后調用函數(shù)顯示相關文字和電機圖片。當STM32第一次接收到傳感器信號時，定時器計數(shù)值清零；當接收不到第二次傳感器信號時，定時器TIM5溢出；當定時器溢出次數(shù)超過預設值時，表示電機電機不轉，顯示轉速值為0。當?shù)诙谓邮盏絺鞲衅餍盘枙r，單片機讀取定時器計數(shù)值TIM5_CNT，此值即為定時器計數(shù)總時長，也就是電機轉1圈所花的時間，已知通用定時器的時鐘為72MHz，則電機轉速的計算公式為（60×72×106）/定時器計數(shù)值。

圖5 電機測速儀軟件流程圖

2.2 傳感器中斷信號處理

圖5中傳感器信號作為中斷信號送STM32單片機。STM32F103的中斷很強大，每個GPIO口都可以作為中斷使用，STM32F103ZET6的16條外部中斷線最多可連接112個GPIO，PA0～PG0共用1條EXIT0外部中斷線，PA1～PG1共用另1條EXIT1外部中斷線，其他IO口共用外部中斷線，以此類推。STM32F103的中斷優(yōu)先級寄存器NVIC_IPRX用于配置外部中斷的優(yōu)先級，使用IPR的高4bit配置若干種中斷優(yōu)先級，其數(shù)值越小優(yōu)先級越高，即外部中斷EXIT0優(yōu)先級最高。中斷編程分四大步驟：（1）配置相關寄存器使能中斷請求稱為外設使能，如單片機接收到傳感器送來的外部中斷信號，這個中斷由外部中斷控制寄存器的相關中斷使能位來控制；（2）通過NVIC_PriorityGroup函數(shù)配置中斷優(yōu)先級分組；（3）配置NVIC寄存器，初始化NVIC_InitTypeDef函數(shù)，指定中斷源、搶占優(yōu)先級、子優(yōu)先級、內核中斷使能或失能；（4）編寫中斷服務函數(shù)。

2.3 相關程序設計

以下代碼為主程序，執(zhí)行了延時、LED端口、TIM5、中斷分組、OLED初始化，調用若干函數(shù)顯示中英文和圖片，while循環(huán)語句實現(xiàn)LED燈翻轉指示。

圖6 OLED顯示

以下代碼為外部中斷EXIT2服務函數(shù)，當?shù)诙谓邮盏絺鞲衅餍盘柡螅?jīng)計算顯示電機速度，并清除外部中斷2。

2.4 OLED顯示

OLED顯示內容如圖6所示，顯示了中英文、轉速和圖片。OLED顯示屏能顯示128列64行點陣，圖中中文漢字采用14×16點陣，英文采用8×16點陣，圖片采用32×32點陣。

結語：本設計采用嵌入式單片機STM32F103為控制芯片，利用霍爾傳感器3144進行電機測速，OLED屏顯示轉速信息，實現(xiàn)電路結構簡捷，成本低、可靠性高、抗干擾能力強、擴展性好，實踐效果良好。