基于STM32單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院 史 萍 張 瑾

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)速的高性能、低成本、低功耗，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103CET6單片機(jī)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，用OLED屏顯示其每分鐘轉(zhuǎn)速和電機(jī)圖片。采用霍爾傳感器接收電機(jī)旋轉(zhuǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)上拉處理后送STM32單片機(jī)，單片機(jī)用中斷的方式進(jìn)行處理，通過(guò)連續(xù)兩次接收到傳感器信號(hào)的時(shí)間差確定每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該測(cè)速儀便于功能擴(kuò)展、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能價(jià)格比高、實(shí)用性強(qiáng)。

隨著芯片技術(shù)及其開(kāi)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(shù)來(lái)完成，這樣就為電機(jī)的精準(zhǔn)測(cè)速提供了便捷，通過(guò)測(cè)速可以反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行是否正常以及確定定位精度。本測(cè)速儀把嵌入式STM32單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用到電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)中，不但可以提高性能，而且還可以降低功耗，進(jìn)而減少系統(tǒng)成本。另外，霍爾傳感器利用磁感應(yīng)測(cè)速抗外界干擾能力強(qiáng)且靈敏度高，進(jìn)一步提高了測(cè)速精度。

1 電機(jī)測(cè)速儀硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)測(cè)速儀硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，霍爾傳感器模塊將感應(yīng)到的電機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理成為脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)送STM32F103CET6單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)圖片。

圖1 電機(jī)測(cè)速儀硬件設(shè)計(jì)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(hào)為3144，1腳接電源（電源范圍為4.5V至24V，本設(shè)計(jì)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(jī)的PE2腳。

霍爾傳感器模塊中的霍爾傳感器預(yù)先安裝固定，在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部位安裝導(dǎo)磁性能優(yōu)良的磁鋼，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)磁鋼接近霍爾傳感器，此時(shí)霍爾傳感器3腳將輸出信號(hào)送給單片機(jī)，電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)霍爾傳感器輸出高電平，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)

STM32F103ZET6單片機(jī)為中低端的32位增強(qiáng)型微處理器，由意法半導(dǎo)體公司制造，其內(nèi)核基于Cortex-M3即采用哈佛結(jié)構(gòu)，運(yùn)用三級(jí)流水線處理機(jī)制并增加了分支預(yù)測(cè)功能，完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，中斷處理速度快；最高工作頻率達(dá)72MHz，片內(nèi)Flash為512K，指令運(yùn)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(shè)功能，易于功能擴(kuò)展。其端口PA～PG可根據(jù)需要定義成輸入或輸出及多種復(fù)用口，這樣PCB板的設(shè)計(jì)人員不必把某些信號(hào)在板上繞一大圈完成聯(lián)接，既便于PCB的設(shè)計(jì)又減少了信號(hào)的交叉干擾。

圖3 單片機(jī)和OLED模塊插座連接圖

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

圖3中U3的PE2接霍爾傳感器模塊送來(lái)的信號(hào)。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(gòu)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(gòu)成晶體振蕩電路。U3的33腳接電源并對(duì)地接電容作去耦處理，起保護(hù)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(gè)點(diǎn)，J2為OLED顯示模塊插頭，與圖3中的J1配對(duì)使用，OLED1的BS1和BS2分別接J3和J4的TP信號(hào)，通過(guò)跳線帽短接3.3V電源或地，接電源時(shí)信號(hào)值為‘1’，接地時(shí)信號(hào)值為‘0’，BS1、BS2為不同信號(hào)值代表不同的工作模式，如表1所示，當(dāng)BS1和BS2為“00”時(shí)，OLED工作于4線SPI模式；當(dāng)BS1和BS2為“10”時(shí)，OLED工作于I2C模式；當(dāng)BS1和BS2為“01”時(shí)，OLED工作于8位6800模式；當(dāng)BS1和BS2為“11”時(shí)，OLED工作于8位8080模式。本設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)是尺寸難以實(shí)現(xiàn)大型化和沒(méi)有顯存，它的顯存依賴于SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片，顯存大小為128×64位，這些顯存分8頁(yè)，每頁(yè)包含了128個(gè)字節(jié)。

2 電機(jī)測(cè)速儀軟件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)測(cè)速儀軟件流程圖

電機(jī)測(cè)速儀軟件流程圖如圖5所示，先進(jìn)行初始化，然后調(diào)用函數(shù)顯示相關(guān)文字和電機(jī)圖片。當(dāng)STM32第一次接收到傳感器信號(hào)時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)值清零；當(dāng)接收不到第二次傳感器信號(hào)時(shí)，定時(shí)器TIM5溢出；當(dāng)定時(shí)器溢出次數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，表示電機(jī)電機(jī)不轉(zhuǎn)，顯示轉(zhuǎn)速值為0。當(dāng)?shù)诙谓邮盏絺鞲衅餍盘?hào)時(shí)，單片機(jī)讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值TIM5_CNT，此值即為定時(shí)器計(jì)數(shù)總時(shí)長(zhǎng)，也就是電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所花的時(shí)間，已知通用定時(shí)器的時(shí)鐘為72MHz，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為（60×72×106）/定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

圖5 電機(jī)測(cè)速儀軟件流程圖

2.2 傳感器中斷信號(hào)處理

圖5中傳感器信號(hào)作為中斷信號(hào)送STM32單片機(jī)。STM32F103的中斷很強(qiáng)大，每個(gè)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(gè)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(jí)寄存器NVIC_IPRX用于配置外部中斷的優(yōu)先級(jí)，使用IPR的高4bit配置若干種中斷優(yōu)先級(jí)，其數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高，即外部中斷EXIT0優(yōu)先級(jí)最高。中斷編程分四大步驟：（1）配置相關(guān)寄存器使能中斷請(qǐng)求稱為外設(shè)使能，如單片機(jī)接收到傳感器送來(lái)的外部中斷信號(hào)，這個(gè)中斷由外部中斷控制寄存器的相關(guān)中斷使能位來(lái)控制；（2）通過(guò)NVIC_PriorityGroup函數(shù)配置中斷優(yōu)先級(jí)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(jí)、子優(yōu)先級(jí)、內(nèi)核中斷使能或失能；（4）編寫(xiě)中斷服務(wù)函數(shù)。

2.3 相關(guān)程序設(shè)計(jì)

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

圖6 OLED顯示

以下代碼為外部中斷EXIT2服務(wù)函數(shù)，當(dāng)?shù)诙谓邮盏絺鞲衅餍盘?hào)后，經(jīng)計(jì)算顯示電機(jī)速度，并清除外部中斷2。

2.4 OLED顯示

OLED顯示內(nèi)容如圖6所示，顯示了中英文、轉(zhuǎn)速和圖片。OLED顯示屏能顯示128列64行點(diǎn)陣，圖中中文漢字采用14×16點(diǎn)陣，英文采用8×16點(diǎn)陣，圖片采用32×32點(diǎn)陣。

結(jié)語(yǔ)：本設(shè)計(jì)采用嵌入式單片機(jī)STM32F103為控制芯片，利用霍爾傳感器3144進(jìn)行電機(jī)測(cè)速，OLED屏顯示轉(zhuǎn)速信息，實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展性好，實(shí)踐效果良好。