嵌入式系统直流电机转速检测系统

　　这篇职称评定论文发表了嵌入式系统直流电机转速检测系统，嵌入式系统是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。

　　关键词：职称评定论文,霍尔传感器,直流电机

　　直流电机因其开关频率高、低速运转稳定，动态性能好、功率高，广泛应用于现代自动化工业中。本文提出了一种基于单片机测量直流电机转速的方法。以AT89C51单片机为核心，通过霍尔传感器(A3144E)输出的直流电机的脉冲信号来计算电机的转速，利用单片机的外部中断和定时编程算法，将所获得的速度显示在数码管上，实现电机转速的实时获取，并用按键来控制电机的转速挡位，控制电机的正转速度和反转速度[1]。采用驱动芯片L9110S驱动电机，该芯片有两个输出，这两个输出端能直接驱动的直流电机的正向和反向转动，此芯片具备较好的抗干扰能力和电机驱动能力[2]。以单片机为核心，通过LabView提供的串口将采集到的数据传送到上位机，在LabView环境下，对数据进行处理和分析，并进行相关控制。测试结果表明：该检测系统具有较好的稳定性和调速效果。

　　1系统总体结构框图

　　该系统以AT89C51单片机为核心，由霍尔传感器(A3144E)、直流电机、直流电机驱动芯片(L9110S)、按键、数码管、软件LabView等几部分组成。该系统总体结构框图如图1所示。1.1霍尔传感器根据霍尔效应设计的霍尔传感器，在磁场中能检测磁场并能感应周围磁场的变化。霍尔传感器小体积、高灵敏度、高精确度、高可靠性的特点，广泛应用于转轴测速系统中获取脉冲信号，计算转速值[3]。霍尔传感器有线性和开关型两种类型，线性霍尔传感器输出的是模拟信号，而开关型霍尔传感器输出的是数字信号[4]。该系统运用的单极性开关型霍尔传感器(A3144E)，霍尔传感器的组成由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级几部分组成。

　　在一定条件下，当有磁感应强度输入时，就会有一个数字电压信号的输出。由霍尔传感器的原理可知，当垂直于磁场方向的霍尔传感器通电流并且此电流垂直于磁场时，霍尔元件就能产生在一个在该磁场强度下相对应的霍尔电势差。霍尔电势差存在的条件下，当保持电流不变，改变磁场强度的大小，霍尔电势差会发生相应的改变。当霍尔元件相对于磁钢运动并切割磁力线时，霍尔传感器的输出端就会有电压信号的输出[6]。1.2驱动芯片L9110S是两通道功率放大专用集成电路器件，专门为控制和驱动电机设计。该芯片有两个输入，兼容TTL/CMOS电平，抗干扰性良好;两个输出端能直接驱动电机的正向和反向运动，电流驱动能力较强;每通道的持续电流：750～800mA，峰值电流：1.5～2.0A;输出饱和压降较低;由内置的钳位二极管释放的感性负载反向冲击电流，确保了驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管时的可靠性和安全性。引脚功能如表1所示。驱动芯片L9110S能驱动一个直流电机，并且能控制电机正转和反转状态。

　　2测速原理

　　数字测量方法主要有测频率法和测周期法。该系统研究主要采用测频率法。单位时间内，获得信号的数量就是信号的频率。在单位时间间隔内，根据获得的脉冲数计算转速。从某种程度上，该系统测速情况下的频率即转速。测速就是测频。霍尔传感器在磁场中总是能产生相同大小的电压并且与转速无关，即能在低速情况下获得精确的测量结果。霍尔传感器的安装位置决定了输出信号的强弱，为了获得最佳信号效果，通过多次实验，确定霍尔传感器距离电机外壳的最佳安装位置。磁钢在旋转过程中能产生的垂直磁场和平行磁场的信号，霍尔传感器能感应这种磁场信号，转轴在旋转一周的过程中能产生一个或多个固定的脉冲，通过霍尔传感器获取该脉冲并送入单片机中进行计数，通过单片机的数据处理，能输出直流电机的一个转速值。在转盘上增加几个磁钢可以提高检测的精度[5]。

　　3系统硬件设计

　　控制系统的硬件原理图如图2所示。3.1转速测量与显示模块3.1.1转速测量该系统采用单极性开关型霍尔传感器A3144E实施转速测量。将固定有磁钢的非磁转盘固定在电机的转轴上，目的是为了当启动电机，电机转动时，转盘也能够随着电机的主轴转动，并且与转轴的转动速度同步，固定在转盘附近的霍尔传感器能够感应磁钢转动时产生的磁场变化，并产生一个相应的脉冲，通过记录单位时间内获得的脉冲数，计算电机的转速值。在控制系统原理图2中，霍尔传感器A3144E的输出引脚OUT与单片机的定时/计数器1(P3.3)引脚相连，引脚OUT外接一个上拉电阻。当霍尔传感器感应到磁钢的磁场时，引脚OUT端输出一个低电平，反之，引脚OUT端输出一个高电平。

　　霍尔传感器的电平从高到低的过程中，下降沿可触发外部中断1计数，每输入一个脉冲，计数器加1，通过控制计数的时间即可计算出计数器数值对应电机的转速值。3.1.2显示模块转速显示采用四位共阳极数码管显示当前的转速值，字码线经过上拉排阻接单片机的P0引脚，四位位码线分别接单片机的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引脚(如图2所示)。通过软件编程，能够将获得的电机转速显示在数码管上。3.2转速控制模块控制系统采用的是AT89C51单片机，通过八个按键控制电机的转速，按键可以实现电机的正转、反转、全高速、高速、低速、次低速等六种速度形式[7]。八个按键与单片机的P1引脚相连(如图2所示)。3.3电机驱动模块。电机驱动采用驱动芯片L9110S，该芯片有两组输入和输出，输入IA和IB分别与单片机的P2.1和P2.2引脚相连(如图2所示)，控制电机的正转和反转，OA和OB与电机相连，驱动电机。驱动芯片上的引脚5和引脚6接+5V的高电平，引脚1和引脚4接低电平。驱动芯片功能引脚如表1所示。

　　4系统软件设计

　　软件设计是在硬件设计电路的基础上，根据所要实现的功能进行的程序设计，包括获取A3144E采集的脉冲信号、脉冲计数、转速显示和按键对电机转速的控制等部分。总体程序流程图如图3所示。根据图2的硬件电路设计原理图可知，单片机的外部中断1工作在计数模式下，对霍尔传感器获取的脉冲计数;定时/计数器T0工作在定时模式下，控制计数的时间。转速值的计算公式如下：式中：n为转速，单位：转/分钟;N为采样时间内脉冲，N=256*TH0+TL0;T为采样时间，单位：分钟;m为每转动一周所产生的脉冲数。根据编程的原则，将转速值分解为四位，分别显示在数码管上，通过单片机的P0口和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引脚分别控制字选和位选。电机驱动通过L9110S上的OA和OB控制。

　　5系统仿真与结论

　　上位机LabView的初始界面、低速、高速、全高速条件下，速度、平均速度及波形如图4所示。启动系统，连接硬件设备，测试三种转速条件下，LabView软件界面上所显示的速度、平均速度和波形。由图6可知，三组数据误差也在正常范围内，说明此档位下速度稳定，外界干扰较小，实验结果可靠。由图7可知，三组数据误差超出正常范围，说明此档位下速度不稳定，外界干扰较大，实验结果不可靠，此组数据结果应该舍弃。综上所述，该系统在低速和高速情况下，系统稳定，在全高速状态下，系统受干扰较大。在以后的研究中，可以从如何减少系统的干扰，增强系统的抗干扰能下入手研究，提高系统的稳定性和抗干扰能力。

　　参考文献:

　　[1]赵树磊，谢吉华，刘永锋.基于霍尔传感器的电机测速装置[J].江苏电器，2008，(10).

　　[2]林家泉.一种小型直流电机控制系统硬件设计方案[J].自动化与仪表，2014，(11).

　　[3]郭清，王元昔.霍尔传感器在直流电机中的应用[J].传感器与微系统，2013，(03)

　　[4]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2004.

　　[5]丁芝琴.基于霍尔传感器的电机测速装置设计[J].农机化研究，2010，(05).

　　[6]董雷刚，崔晓薇.复杂路况下的智能循迹小车方案设计[J].电脑知识与技术，2014，(07).

　　[7]姚荣斌，孙红兵.基于STC89C51RC的转速测量系统设计[J].连云港师范高等专科学校学报，2007，(04).

　　作者：龙彬 罗维平 陈璐露 单位：武汉纺织大学 机械工程与自动化学院

　　推荐阅读：《电子机械工程》(双月刊)创刊于1998年，由南京电子技术研究所、中国电子学会电子机械工程分会主办。系中国电子学会电子机械工程分会会刊，它是全国唯一的一本电子机械结构杂志，在全国电子机械领域内享有相当高的声誉。