嵌入式系統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)

　　這篇職稱評定論文發(fā)表了嵌入式系統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會(huì)的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。

　　關(guān)鍵詞：職稱評定論文,霍爾傳感器,直流電機(jī)

　　直流電機(jī)因其開關(guān)頻率高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能好、功率高，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)中。本文提出了一種基于單片機(jī)測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。以AT89C51單片機(jī)為核心，通過霍爾傳感器(A3144E)輸出的直流電機(jī)的脈沖信號(hào)來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)編程算法，將所獲得的速度顯示在數(shù)碼管上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)獲取，并用按鍵來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)速度[1]。采用驅(qū)動(dòng)芯片L9110S驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片有兩個(gè)輸出，這兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此芯片具備較好的抗干擾能力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力[2]。以單片機(jī)為核心，通過LabView提供的串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，在LabView環(huán)境下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并進(jìn)行相關(guān)控制。測試結(jié)果表明：該檢測系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和調(diào)速效果。

　　1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，由霍爾傳感器(A3144E)、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(L9110S)、按鍵、數(shù)碼管、軟件LabView等幾部分組成。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.1霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)的霍爾傳感器，在磁場中能檢測磁場并能感應(yīng)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸測速系統(tǒng)中獲取脈沖信號(hào)，計(jì)算轉(zhuǎn)速值[3]。霍爾傳感器有線性和開關(guān)型兩種類型，線性霍爾傳感器輸出的是模擬信號(hào)，而開關(guān)型霍爾傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)[4]。該系統(tǒng)運(yùn)用的單極性開關(guān)型霍爾傳感器(A3144E)，霍爾傳感器的組成由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器，溫度補(bǔ)償電路和集電極開路的輸出級(jí)幾部分組成。

　　在一定條件下，當(dāng)有磁感應(yīng)強(qiáng)度輸入時(shí)，就會(huì)有一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)的輸出。由霍爾傳感器的原理可知，當(dāng)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(shí)，霍爾元件就能產(chǎn)生在一個(gè)在該磁場強(qiáng)度下相對應(yīng)的霍爾電勢差。霍爾電勢差存在的條件下，當(dāng)保持電流不變，改變磁場強(qiáng)度的大小，霍爾電勢差會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)霍爾元件相對于磁鋼運(yùn)動(dòng)并切割磁力線時(shí)，霍爾傳感器的輸出端就會(huì)有電壓信號(hào)的輸出[6]。1.2驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)。該芯片有兩個(gè)輸入，兼容TTL/CMOS電平，抗干擾性良好;兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正向和反向運(yùn)動(dòng)，電流驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng);每通道的持續(xù)電流：750～800mA，峰值電流：1.5～2.0A;輸出飽和壓降較低;由內(nèi)置的鉗位二極管釋放的感性負(fù)載反向沖擊電流，確保了驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管時(shí)的可靠性和安全性。引腳功能如表1所示。驅(qū)動(dòng)芯片L9110S能驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)，并且能控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

　　2測速原理

　　數(shù)字測量方法主要有測頻率法和測周期法。該系統(tǒng)研究主要采用測頻率法。單位時(shí)間內(nèi)，獲得信號(hào)的數(shù)量就是信號(hào)的頻率。在單位時(shí)間間隔內(nèi)，根據(jù)獲得的脈沖數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速。從某種程度上，該系統(tǒng)測速情況下的頻率即轉(zhuǎn)速。測速就是測頻。霍爾傳感器在磁場中總是能產(chǎn)生相同大小的電壓并且與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即能在低速情況下獲得精確的測量結(jié)果。霍爾傳感器的安裝位置決定了輸出信號(hào)的強(qiáng)弱，為了獲得最佳信號(hào)效果，通過多次實(shí)驗(yàn)，確定霍爾傳感器距離電機(jī)外殼的最佳安裝位置。磁鋼在旋轉(zhuǎn)過程中能產(chǎn)生的垂直磁場和平行磁場的信號(hào)，霍爾傳感器能感應(yīng)這種磁場信號(hào)，轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)一周的過程中能產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)固定的脈沖，通過霍爾傳感器獲取該脈沖并送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，能輸出直流電機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)速值。在轉(zhuǎn)盤上增加幾個(gè)磁鋼可以提高檢測的精度[5]。

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。3.1轉(zhuǎn)速測量與顯示模塊3.1.1轉(zhuǎn)速測量該系統(tǒng)采用單極性開關(guān)型霍爾傳感器A3144E實(shí)施轉(zhuǎn)速測量。將固定有磁鋼的非磁轉(zhuǎn)盤固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，目的是為了當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤也能夠隨著電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度同步，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器能夠感應(yīng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化，并產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，通過記錄單位時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖數(shù)，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。在控制系統(tǒng)原理圖2中，霍爾傳感器A3144E的輸出引腳OUT與單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(P3.3)引腳相連，引腳OUT外接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)霍爾傳感器感應(yīng)到磁鋼的磁場時(shí)，引腳OUT端輸出一個(gè)低電平，反之，引腳OUT端輸出一個(gè)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(fā)外部中斷1計(jì)數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器加1，通過控制計(jì)數(shù)的時(shí)間即可計(jì)算出計(jì)數(shù)器數(shù)值對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。3.1.2顯示模塊轉(zhuǎn)速顯示采用四位共陽極數(shù)碼管顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值，字碼線經(jīng)過上拉排阻接單片機(jī)的P0引腳，四位位碼線分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳(如圖2所示)。通過軟件編程，能夠?qū)@得的電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上。3.2轉(zhuǎn)速控制模塊控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)，通過八個(gè)按鍵控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按鍵可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、全高速、高速、低速、次低速等六種速度形式[7]。八個(gè)按鍵與單片機(jī)的P1引腳相連(如圖2所示)。3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)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(jī)的P2.1和P2.2引腳相連(如圖2所示)，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，OA和OB與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片功能引腳如表1所示。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)，包括獲取A3144E采集的脈沖信號(hào)、脈沖計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)速顯示和按鍵對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制等部分。總體程序流程圖如圖3所示。根據(jù)圖2的硬件電路設(shè)計(jì)原理圖可知，單片機(jī)的外部中斷1工作在計(jì)數(shù)模式下，對霍爾傳感器獲取的脈沖計(jì)數(shù);定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0工作在定時(shí)模式下，控制計(jì)數(shù)的時(shí)間。轉(zhuǎn)速值的計(jì)算公式如下：式中：n為轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分鐘;N為采樣時(shí)間內(nèi)脈沖，N=256*TH0+TL0;T為采樣時(shí)間，單位：分鐘;m為每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。根據(jù)編程的原則，將轉(zhuǎn)速值分解為四位，分別顯示在數(shù)碼管上，通過單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)通過L9110S上的OA和OB控制。

　　5系統(tǒng)仿真與結(jié)論

　　上位機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，連接硬件設(shè)備，測試三種轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)誤差也在正常范圍內(nèi)，說明此檔位下速度穩(wěn)定，外界干擾較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。由圖7可知，三組數(shù)據(jù)誤差超出正常范圍，說明此檔位下速度不穩(wěn)定，外界干擾較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠，此組數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該舍棄。綜上所述，該系統(tǒng)在低速和高速情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定，在全高速狀態(tài)下，系統(tǒng)受干擾較大。在以后的研究中，可以從如何減少系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能下入手研究，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

　　參考文獻(xiàn):

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

　　[2]林家泉.一種小型直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案[J].自動(dòng)化與儀表，2014，(11).

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

　　[4]何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

　　[5]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，(05).

　　[6]董雷剛，崔曉薇.復(fù)雜路況下的智能循跡小車方案設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014，(07).

　　[7]姚榮斌，孫紅兵.基于STC89C51RC的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].連云港師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2007，(04).

　　作者：龍彬 羅維平 陳璐露 單位：武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

　　推薦閱讀：《電子機(jī)械工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1998年，由南京電子技術(shù)研究所、中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)主辦。系中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)會(huì)刊，它是全國唯一的一本電子機(jī)械結(jié)構(gòu)雜志，在全國電子機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)享有相當(dāng)高的聲譽(yù)。