嵌入式系統直流電機轉速檢測系統

　　這篇職稱評定論文發表了嵌入式系統直流電機轉速檢測系統，嵌入式系統是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”，根據英國電氣工程師協會的定義，嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。

　　關鍵詞：職稱評定論文,霍爾傳感器,直流電機

　　直流電機因其開關頻率高、低速運轉穩定，動態性能好、功率高，廣泛應用于現代自動化工業中。本文提出了一種基于單片機測量直流電機轉速的方法。以AT89C51單片機為核心，通過霍爾傳感器(A3144E)輸出的直流電機的脈沖信號來計算電機的轉速，利用單片機的外部中斷和定時編程算法，將所獲得的速度顯示在數碼管上，實現電機轉速的實時獲取，并用按鍵來控制電機的轉速擋位，控制電機的正轉速度和反轉速度[1]。采用驅動芯片L9110S驅動電機，該芯片有兩個輸出，這兩個輸出端能直接驅動的直流電機的正向和反向轉動，此芯片具備較好的抗干擾能力和電機驅動能力[2]。以單片機為核心，通過LabView提供的串口將采集到的數據傳送到上位機，在LabView環境下，對數據進行處理和分析，并進行相關控制。測試結果表明：該檢測系統具有較好的穩定性和調速效果。

　　1系統總體結構框圖

　　該系統以AT89C51單片機為核心，由霍爾傳感器(A3144E)、直流電機、直流電機驅動芯片(L9110S)、按鍵、數碼管、軟件LabView等幾部分組成。該系統總體結構框圖如圖1所示。1.1霍爾傳感器根據霍爾效應設計的霍爾傳感器，在磁場中能檢測磁場并能感應周圍磁場的變化。霍爾傳感器小體積、高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點，廣泛應用于轉軸測速系統中獲取脈沖信號，計算轉速值[3]。霍爾傳感器有線性和開關型兩種類型，線性霍爾傳感器輸出的是模擬信號，而開關型霍爾傳感器輸出的是數字信號[4]。該系統運用的單極性開關型霍爾傳感器(A3144E)，霍爾傳感器的組成由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、史密特觸發器，溫度補償電路和集電極開路的輸出級幾部分組成。

　　在一定條件下，當有磁感應強度輸入時，就會有一個數字電壓信號的輸出。由霍爾傳感器的原理可知，當垂直于磁場方向的霍爾傳感器通電流并且此電流垂直于磁場時，霍爾元件就能產生在一個在該磁場強度下相對應的霍爾電勢差。霍爾電勢差存在的條件下，當保持電流不變，改變磁場強度的大小，霍爾電勢差會發生相應的改變。當霍爾元件相對于磁鋼運動并切割磁力線時，霍爾傳感器的輸出端就會有電壓信號的輸出[6]。1.2驅動芯片L9110S是兩通道功率放大專用集成電路器件，專門為控制和驅動電機設計。該芯片有兩個輸入，兼容TTL/CMOS電平，抗干擾性良好;兩個輸出端能直接驅動電機的正向和反向運動，電流驅動能力較強;每通道的持續電流：750～800mA，峰值電流：1.5～2.0A;輸出飽和壓降較低;由內置的鉗位二極管釋放的感性負載反向沖擊電流，確保了驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管時的可靠性和安全性。引腳功能如表1所示。驅動芯片L9110S能驅動一個直流電機，并且能控制電機正轉和反轉狀態。

　　2測速原理

　　數字測量方法主要有測頻率法和測周期法。該系統研究主要采用測頻率法。單位時間內，獲得信號的數量就是信號的頻率。在單位時間間隔內，根據獲得的脈沖數計算轉速。從某種程度上，該系統測速情況下的頻率即轉速。測速就是測頻。霍爾傳感器在磁場中總是能產生相同大小的電壓并且與轉速無關，即能在低速情況下獲得精確的測量結果。霍爾傳感器的安裝位置決定了輸出信號的強弱，為了獲得最佳信號效果，通過多次實驗，確定霍爾傳感器距離電機外殼的最佳安裝位置。磁鋼在旋轉過程中能產生的垂直磁場和平行磁場的信號，霍爾傳感器能感應這種磁場信號，轉軸在旋轉一周的過程中能產生一個或多個固定的脈沖，通過霍爾傳感器獲取該脈沖并送入單片機中進行計數，通過單片機的數據處理，能輸出直流電機的一個轉速值。在轉盤上增加幾個磁鋼可以提高檢測的精度[5]。

　　3系統硬件設計

　　控制系統的硬件原理圖如圖2所示。3.1轉速測量與顯示模塊3.1.1轉速測量該系統采用單極性開關型霍爾傳感器A3144E實施轉速測量。將固定有磁鋼的非磁轉盤固定在電機的轉軸上，目的是為了當啟動電機，電機轉動時，轉盤也能夠隨著電機的主軸轉動，并且與轉軸的轉動速度同步，固定在轉盤附近的霍爾傳感器能夠感應磁鋼轉動時產生的磁場變化，并產生一個相應的脈沖，通過記錄單位時間內獲得的脈沖數，計算電機的轉速值。在控制系統原理圖2中，霍爾傳感器A3144E的輸出引腳OUT與單片機的定時/計數器1(P3.3)引腳相連，引腳OUT外接一個上拉電阻。當霍爾傳感器感應到磁鋼的磁場時，引腳OUT端輸出一個低電平，反之，引腳OUT端輸出一個高電平。

　　霍爾傳感器的電平從高到低的過程中，下降沿可觸發外部中斷1計數，每輸入一個脈沖，計數器加1，通過控制計數的時間即可計算出計數器數值對應電機的轉速值。3.1.2顯示模塊轉速顯示采用四位共陽極數碼管顯示當前的轉速值，字碼線經過上拉排阻接單片機的P0引腳，四位位碼線分別接單片機的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳(如圖2所示)。通過軟件編程，能夠將獲得的電機轉速顯示在數碼管上。3.2轉速控制模塊控制系統采用的是AT89C51單片機，通過八個按鍵控制電機的轉速，按鍵可以實現電機的正轉、反轉、全高速、高速、低速、次低速等六種速度形式[7]。八個按鍵與單片機的P1引腳相連(如圖2所示)。3.3電機驅動模塊。電機驅動采用驅動芯片L9110S，該芯片有兩組輸入和輸出，輸入IA和IB分別與單片機的P2.1和P2.2引腳相連(如圖2所示)，控制電機的正轉和反轉，OA和OB與電機相連，驅動電機。驅動芯片上的引腳5和引腳6接+5V的高電平，引腳1和引腳4接低電平。驅動芯片功能引腳如表1所示。

　　4系統軟件設計

　　軟件設計是在硬件設計電路的基礎上，根據所要實現的功能進行的程序設計，包括獲取A3144E采集的脈沖信號、脈沖計數、轉速顯示和按鍵對電機轉速的控制等部分。總體程序流程圖如圖3所示。根據圖2的硬件電路設計原理圖可知，單片機的外部中斷1工作在計數模式下，對霍爾傳感器獲取的脈沖計數;定時/計數器T0工作在定時模式下，控制計數的時間。轉速值的計算公式如下：式中：n為轉速，單位：轉/分鐘;N為采樣時間內脈沖，N=256*TH0+TL0;T為采樣時間，單位：分鐘;m為每轉動一周所產生的脈沖數。根據編程的原則，將轉速值分解為四位，分別顯示在數碼管上，通過單片機的P0口和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳分別控制字選和位選。電機驅動通過L9110S上的OA和OB控制。

　　5系統仿真與結論

　　上位機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。啟動系統，連接硬件設備，測試三種轉速條件下，LabView軟件界面上所顯示的速度、平均速度和波形。由圖6可知，三組數據誤差也在正常范圍內，說明此檔位下速度穩定，外界干擾較小，實驗結果可靠。由圖7可知，三組數據誤差超出正常范圍，說明此檔位下速度不穩定，外界干擾較大，實驗結果不可靠，此組數據結果應該舍棄。綜上所述，該系統在低速和高速情況下，系統穩定，在全高速狀態下，系統受干擾較大。在以后的研究中，可以從如何減少系統的干擾，增強系統的抗干擾能下入手研究，提高系統的穩定性和抗干擾能力。

　　參考文獻:

　　[1]趙樹磊，謝吉華，劉永鋒.基于霍爾傳感器的電機測速裝置[J].江蘇電器，2008，(10).

　　[2]林家泉.一種小型直流電機控制系統硬件設計方案[J].自動化與儀表，2014，(11).

　　[3]郭清，王元昔.霍爾傳感器在直流電機中的應用[J].傳感器與微系統，2013，(03)

　　[4]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京：科學出版社，2004.

　　[5]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計[J].農機化研究，2010，(05).

　　[6]董雷剛，崔曉薇.復雜路況下的智能循跡小車方案設計[J].電腦知識與技術，2014，(07).

　　[7]姚榮斌，孫紅兵.基于STC89C51RC的轉速測量系統設計[J].連云港師范高等專科學校學報，2007，(04).

　　作者：龍彬 羅維平 陳璐露 單位：武漢紡織大學 機械工程與自動化學院

　　推薦閱讀：《電子機械工程》(雙月刊)創刊于1998年，由南京電子技術研究所、中國電子學會電子機械工程分會主辦。系中國電子學會電子機械工程分會會刊，它是全國唯一的一本電子機械結構雜志，在全國電子機械領域內享有相當高的聲譽。