一種基于STM32單片機的直流電動機測速裝置設(shè)計

鄧濱++辛建軍++張瑾++張孟強

摘要：以STM32單片機為核心設(shè)計，通過電動機電樞供電回路串接采樣電阻與以自制傳感器方式檢測電動機殼外電磁信號的兩種方式檢測小型直流有刷電動機的轉(zhuǎn)速，利用電壓跟隨器、同相比例運算放大器、電壓比較器、帶通濾波器等電路進行采樣信號處理；通過串口液晶顯示屏來實現(xiàn)人機交互，清晰顯示小型直流有刷電動機的實時轉(zhuǎn)速；在系統(tǒng)控制過程中，應用遞推平均濾波算法去除雜波信號，使串口屏幕顯示轉(zhuǎn)速值更加穩(wěn)定；該系統(tǒng)可實現(xiàn)真人語音播報轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：STM32單片機；小型直流有刷電機； 串口液晶顯示屏；遞推平均濾波算法

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）12-0006-03

直流有刷電機，是一種非常通用和實用的電氣設(shè)備，通過控制器及其相應組成電路能實現(xiàn)智能調(diào)速，在構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)中，必不可少的部分就是反饋環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)測量數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性對系統(tǒng)性能影響巨大，因此需要精確度高、響應速度快的測量裝置完成測速工作，以達到控制系統(tǒng)對速度的控制要求。本直流電動機測速裝置，可通過電動機電樞供電回路串接采樣電阻與以自制傳感器方式檢測電動機殼外電磁信號的兩種方式檢測小型直流有刷電動機的轉(zhuǎn)速，誤差小，速度快，實時顯示并可語音播報，制作方便。

1 方案設(shè)計

1.1 控制器模塊選用

采用 STM32F103單片機[1]作為系統(tǒng)控制器，STM32F103單片機是32位單片機，有一定智能模塊，擁有大量的外設(shè)接口，儲存容量遠高于51單片機。運算速度快，能夠滿足讀數(shù)據(jù)的快速采集和濾波處理。

1.2 放大芯片的選用

采用具有低失調(diào)、高開環(huán)增益的OP07芯片[2]搭建放大電路，電壓值準確、可靠。

1.3 顯示模塊的選用

采用串口屏顯示。不僅能夠同時顯示漢字、數(shù)字和符號，并且從用戶的角度來講，界面的通俗易懂，并且設(shè)置簡單，才是一個產(chǎn)品的最終宗旨，對數(shù)字和圖形的顯示更加容易，對產(chǎn)品的功能設(shè)置更加方便。

1.4 系統(tǒng)方案設(shè)計

本直流電動機測速裝置系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示，以電動機電樞供電回路串接采樣電阻電路與自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號兩種方式反饋直流有刷電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過輸入捕獲進行數(shù)據(jù)采集，通過STM32F103單片機對數(shù)據(jù)濾波處理，將數(shù)據(jù)穩(wěn)定顯示在串口顯示屏。

2 硬件電路原理及實現(xiàn)

2.1 電源部分設(shè)計

采用二極管搭建電源部分，見圖2。將220V交流電整流成直流12V、5V、3.3V分別為采樣及信號處理電路、單片機、串口屏供電。

2.2 測速信號采樣及處理

本裝置采用了兩種速度信號采集方式，見圖3，以電動機電樞供電回路串接采樣電阻電路與自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號兩種方式采集速度信號，信號處理電路見圖4，利用OP07運放將采樣電阻R7上的電壓信號進行跟隨，提高信號的帶載能力；帶通濾波器將雜波濾除，保留所需速度信號，提高準確性；然后利用OP07搭建的正向比例運算電路將信號進行放大；電壓比較器LM393，將放大后的信號進行波形的處理，通過R8分壓后提供單片機采集。

2.3 顯示功能實現(xiàn)

圖5為串口屏硬件電路，該屏在顯示信號值時，不僅能夠同時顯示漢字、數(shù)字和符號，并且接線方便，設(shè)置簡單。

3 軟件系統(tǒng)的流程及實現(xiàn)

軟件設(shè)計通過輸入捕獲采集直流有刷電動機轉(zhuǎn)速，經(jīng)系統(tǒng)檢測是否為雜波信號，采用遞推平均濾波算法[3]對輸入捕獲采集的信號進行精確運算計算公式如下：

#define Y 20

int B[Y+1]；

/*遞推平均濾波法*/

float lb1（）

{ int j=0；

int sum1=0；

B[Y]=zs3；

for（j=0；j

{

B[j]=B[j+1]；

sum1+=B[j]；

}

return （float）（sum1/N）；

}

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4 測試結(jié)果及分析

將本裝置測試結(jié)果與同一測試電機采用非接觸式光學測速儀（UT371，精確度0.04%）測量數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如下表1所示。

測試過程中串口實時顯示速度如圖7所示。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)比較，電動機電樞供電回路串接采樣電阻實現(xiàn)的相對測量誤差小于0.6%，以自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號的方式測量的相對誤差小于0.5%，系統(tǒng)響應周期為1s。

5 結(jié)語

以核心控制模塊STM32F103為最小系統(tǒng)，采用精密運放和寬電壓比較器、運放構(gòu)成的跟隨電路有效的提高了帶載能力。電壓比較器有效的處理了放大后的波形，便于單片機采集。測試結(jié)果表明該裝置誤差小，可達到常見閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)測速反饋信號的需求，電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，串口屏顯示信息全面，可實現(xiàn)真人語音播報轉(zhuǎn)速。

參考文獻

[1]王鐵流，秦璐璐，李宗方，高嵩.基于STM32嵌入式系統(tǒng)的智能控制網(wǎng)絡終端設(shè)計[J].電子元器件應用，2009，（06）.

[2]李慧，李秀歌，婁利峰.飛思卡爾智能車設(shè)計方法探討[J].長春工程學院學報（自然科學版），2012，（01）.

[3]丁鋒.系統(tǒng)辨識（7）：遞階辨識原理與方法[J].南京信息工程大學學報（自然科學版），2012，（02）.

Abstract：Based on the core design of STM32 MCU， this system uses the motor armature power supply circuit and sampling resistor with self-made sensor two detection modes of electromagnetic motor shell signal detection of small DC motor speed， the voltage follower， compared with the case of operational amplifier， voltage compactor and band-pass filter circuit to process sampling signals. The system clearly shows the real-time speed of small DC motor control， and achieves human-computer interaction through the liquid crystal display. In the process， application of average filter algorithm removes the clutter signals， and stabilize the serial screen display value. The system can realize voice broadcast speed.

Key words：STM32 single chip microcomputer； small DC brushed motor； serial port liquid crystal display； recursive average filtering algorithm