基于STM32和LABVIEW的電機(jī)磁環(huán)極對(duì)數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

李 敏， 錢 峰， 周先飛

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽蕪湖 241006)

1 電機(jī)磁環(huán)極對(duì)數(shù)檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和意義

目前，空調(diào)使用的單相電容式電機(jī)內(nèi)部裝有磁環(huán)，由于在電機(jī)磁環(huán)安裝過程中容易誤裝參數(shù)不符的磁環(huán)，引起產(chǎn)品質(zhì)量問題.因此，空調(diào)廠和配套電機(jī)廠的電機(jī)磁環(huán)在線檢測意義重大.雖然目前國內(nèi)已有一些電機(jī)磁環(huán)極對(duì)數(shù)檢測儀器，多為單機(jī)且只能實(shí)現(xiàn)固定極對(duì)數(shù)檢測;對(duì)電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件及周邊電子元件的質(zhì)量均無檢測，無參數(shù)圖形顯示，無法實(shí)時(shí)顯示電機(jī)內(nèi)信號(hào)波形參數(shù)，欲顯示波形參數(shù)需另添加示波器，使得系統(tǒng)復(fù)雜，智能化程度不高.因此，設(shè)計(jì)檢測快速、高效、高精度，操作安全便捷的檢測系統(tǒng)顯得至關(guān)重要.

2 電機(jī)磁環(huán)極對(duì)數(shù)檢測系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由供電電源、STM32F101T6控制核心、電機(jī)控制、霍爾傳感器供電切換、霍爾傳感器檢測、信號(hào)整形和頻率測量、占空比和幅值測量電路以及RS232串口電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成.

2.1 檢測系統(tǒng)STM32F101T6控制核心電路

該檢測系統(tǒng)采用STM32F101T6作為主控芯片，PA0作為傳感器工作電壓檢測輸入，PA1作為傳感器輸出信號(hào)的幅值采集輸入，PA2和PA3作為串行通信接口，PA4控制傳霍爾傳感器所需5V、12V供電切換，PA5控制電機(jī)啟停，PA6報(bào)警信號(hào)輸出，PB0傳感器信號(hào)的頻率測量輸入.系統(tǒng)提供電壓共有三路，包括 12V、5V、3.3V 直流輸出.3.3V為STM32F101T6工作電源，12V和5V為不同型號(hào)的電機(jī)內(nèi)霍爾傳感器工作電源.12V電源是對(duì)220V變壓整流濾波經(jīng)LM7812穩(wěn)壓獲得，5V電源是將12V電源經(jīng)LM317調(diào)整而得，3.3V電源由5V電源經(jīng)LM1117－3.3調(diào)整后獲得.

2.2 檢測系統(tǒng)電機(jī)控制、霍爾傳感器供電電源切換電路

由于目前空調(diào)電機(jī)內(nèi)霍爾傳感器工作電壓有5V和12V兩種供電，根據(jù)不同型號(hào)空調(diào)電機(jī)，在PC機(jī)上設(shè)置電壓，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)至下位機(jī)STM32系統(tǒng)，下位機(jī)根據(jù)接收數(shù)據(jù)切換供電電壓是5V供電還是12V供電.STM32通過PA4口和PA5口分別控制空調(diào)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和5V、12V電源切換.

2.3 測量信號(hào)整形及頻率測量電路

由于傳感器輸出信號(hào)易受外界因素干擾，必須將傳感器輸出的方波進(jìn)行濾波整形.[1－2]先使用LM358運(yùn)放構(gòu)建跟隨器將測量信號(hào)波形進(jìn)行整形，再經(jīng)三極管BC846B對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)，從而還原了傳感器輸出波形，因?yàn)镾TM32處理器采集信號(hào)的幅值最高不能超過3.3V，通過電平轉(zhuǎn)換電路將幅值為5V或12V的方波轉(zhuǎn)換成幅值為3.3V送入 STM32的PB0_TIM3_CH3進(jìn)行方波頻率和占空比的測量.

圖1 STM32系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

圖2 霍爾傳感器信號(hào)參數(shù)檢測流程圖

2.4 霍爾傳感器工作電壓檢測和信號(hào)電平幅度檢測電路

霍爾傳感器工作電壓經(jīng)LM358跟隨器和電阻分壓電路后，將0～12V電壓轉(zhuǎn)換成STM32所要求的0～3.3V范圍內(nèi)，接入PA0口，實(shí)現(xiàn)工作電壓的采集.霍爾傳感器檢測輸出信號(hào)通過LM358電壓跟隨器和電阻分壓，輸入STM32的PA1，實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)電平幅度采集.

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測系統(tǒng)中STM32通信及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行硬件系統(tǒng)初始化，初始化完成即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待中斷到來.MCU接收3個(gè)中斷:一是AD采樣中斷，在該中斷實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換采集霍爾傳感器的工作電壓和脈沖輸出口電壓幅值，計(jì)算并保存結(jié)果在數(shù)據(jù)緩沖區(qū);在參數(shù)異常時(shí)，經(jīng)LED發(fā)出報(bào)警信號(hào).二是脈沖信號(hào)輸入中斷，在該中斷中可以計(jì)算傳感器脈沖輸出頻率和個(gè)數(shù)，并保存結(jié)果在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在參數(shù)異常時(shí)，經(jīng)LED發(fā)出報(bào)警信號(hào).三是串口接收中斷，該中斷中完成接收PC機(jī)發(fā)送的指令、參數(shù)，設(shè)置傳感器工作電壓值和電機(jī)控制.由于空調(diào)電機(jī)的慣性特征，接通電源后電機(jī)由靜止上升到額定轉(zhuǎn)速需要一定時(shí)間，不考慮上升時(shí)間，檢測過程中容易造成短暫的誤報(bào)警現(xiàn)象.因此在進(jìn)行信號(hào)檢測前，留有一定的延遲時(shí)間，并根據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)容判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后將傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)(頻率、占空比、幅值)根據(jù)通信協(xié)議打包后，通過串行口發(fā)送到PC機(jī)上顯示，程序流程圖如圖1所示.

圖3 磁環(huán)極對(duì)數(shù)換算的程序流程圖

3.2 檢測系統(tǒng)LABVIEW設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用NI公司開發(fā)的LABVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì).首先，系統(tǒng)對(duì)串口進(jìn)行初始化，包括串口號(hào)、傳輸數(shù)據(jù)格式設(shè)置，然后查詢串口是否打開，當(dāng)STM32發(fā)送數(shù)據(jù)后，在接收緩沖區(qū)中，檢測數(shù)據(jù)是否大于零，若大于零則表示接收到數(shù)據(jù)，并進(jìn)行傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)解析，分離出信號(hào)中占空比、頻率、幅值，當(dāng)設(shè)定頻率與接收頻率不一致時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并將本次測試數(shù)據(jù)記錄保存，以便企業(yè)后期管理應(yīng)用，設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示.vi程序如圖4所示，當(dāng)接收到傳感器信號(hào)幅值x、占空比n和頻率數(shù)據(jù)后，首先將頻率轉(zhuǎn)換成周期T，根據(jù)公式y(tǒng)=(m ＞=T/100*n)?0:x，其中y為當(dāng)前幅值，m為采樣點(diǎn)數(shù)(取值從0至周期次數(shù)T)，這樣在0至T范圍內(nèi)，可以按占空比n，取出低電平與高電平幅值x的個(gè)數(shù).將循環(huán)產(chǎn)生的數(shù)保存為數(shù)組1，以周期T為倍數(shù)取0至z的整數(shù)組成數(shù)組2，數(shù)組1與數(shù)組2中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)，共循環(huán)5次，產(chǎn)生5個(gè)周期波形，利用xy圖控件，構(gòu)建傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)波形顯示圖，設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，vi程序如圖5所示.檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作界面如圖6所示.

圖4 霍爾傳感器信號(hào)參數(shù)檢測vi程序設(shè)計(jì)

圖5 傳感器信號(hào)參數(shù)圖形顯示vi程序設(shè)計(jì)

圖6 電機(jī)磁環(huán)極對(duì)數(shù)檢測系統(tǒng)操作界面

4 結(jié)論

系統(tǒng)通過STM32實(shí)現(xiàn)了空調(diào)電機(jī)內(nèi)霍爾傳感器信號(hào)輸出的頻率、占空比、電平幅值以及工作電壓檢測.通過給定電機(jī)極數(shù)與所測頻率，間接換算出電機(jī)內(nèi)部磁環(huán)極對(duì)數(shù)，并與設(shè)置的磁環(huán)極對(duì)數(shù)比較并檢錯(cuò)，系統(tǒng)不僅能檢測出磁環(huán)極對(duì)數(shù)，而且通過傳感器輸出信號(hào)的參數(shù)可以檢測電機(jī)內(nèi)霍爾元件及周邊電路質(zhì)量，同時(shí)通過系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)顯示及報(bào)警，并以文字和圖形化方式顯示傳感器輸出的波形的一系列參數(shù)，能保存不合格產(chǎn)品信息，信息數(shù)據(jù)能以EXECL表格形式導(dǎo)出，便于企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理.系統(tǒng)提高了產(chǎn)品檢測效率和管理水平.整體性能滿足了空調(diào)整機(jī)廠電機(jī)抽檢或流水線在線檢測要求.

[1]王金艷.霍爾傳感器轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱:黑龍江大學(xué)，2010.

[2]汪云.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速檢測裝置[J].傳感器技術(shù)，2003，22(10):45－47.