基于单片机的分布式无线转速测试系统

李　导，杨丹彤，李　庆

（华南农业大学工程学院，广州　510642）

基于单片机的分布式无线转速测试系统

李导，杨丹彤，李庆※

（华南农业大学工程学院，广州510642）

基于单片机技术，设计了一种分布式无线转速测试系统，可用于田间作业拖拉机的多轮转速实时监测。系统利用霍尔传感器将转速信号转换为电信号，数据通过无线发射模块发送至单片机系统。实验结果表明本系统抗干扰能力较强，精度较高。

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0　引言

对田间作业动力的运行参数进行监测越来越受到重视［1］。本文基于单片机技术，设计了一种分布式无线转速测试系统，用于田间作业拖拉机动力的多轮转速实时监测。系统采用霍尔传感器［2］采集拖拉机各轮转速的脉冲信号，脉冲信经单片机无线串口通过无线数据收发模块发送到另一单片机进行处理。

1　转速测量方法

转速测量有多种方法。根据脉冲计数实现转速测量的方法主要有：M法（测频率法）、T法（测周期法）和M/T法（测频率/周期法）［3-4］。

M法是利用一段固定时间间隔内的编码器产生的输出脉冲数来确定转速。在规定的检测时间内，检测传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或者转轴转动一圈发出的转速脉冲信号的数量较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。

T法是通过测量光电编码器2个脉冲的时间间隔，即脉冲周期来确定转速。相邻2个转速脉冲信号时间的测量采用对一直高频脉冲信号进行计数来实现。在极端情况下，时间的测量会产生±1个高频脉冲周期的误差，因此T法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号间隔时间较长）时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。

而M/T法则是前两种方法的结合，从而使得在整个速度范围内都有较好的准确性。M/T法同时测量检测时间和在此检测时间内传感器所产生的转速脉冲个数来确定转速。由于同时对2种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M/T法在高速和低速时都具有较高的测量精度，但它的实时性较差［5］。

考虑到田间作业拖拉机的所有车轮转速需要实时检测的情况，本文选择使用M法，并采用霍尔传感器。M法虽然受传感器输出脉冲的间隔影响较大，但只要提高编码器线数或者加大测量的单位时间，使一次采集的脉冲个数尽可能多就能得到较高的精度［6］。

转速脉冲频率测量采用门脉冲计数法，被测信号脉冲频率为：

转速为：

因计数终点的随机性，计数最大误差为：

故测量最大误差

式中T为标准门脉冲频率宽度；f为频率；m为计数数值；n为转子每转一圈产生的脉冲信号数。

显然，n（或T）取值越大，即轮盘磁极贴得越密集或门脉冲频率宽度越大，测量精确度就越高［7］。

2　硬件设计

硬件系统主要由霍尔传感器、MCU模块、无线串口收发模块和LCD液晶显示模块等组成，如图1所示［8］。

图1　硬件系统框图Fig.1 Block diagram of hardware system

霍尔传感器将检测到的信号直接送往单片机，由单片机4个I/O口负责脉冲信号的采集，并每隔1.5 s由无线发送模块发送数据；在接收端，单片机通过无线接收模块接收数据，并将数据进行处理后用液晶显示模块进行显示。

2.1无线发送模块

数据的采集和无线发送选用经典的集数据处理、多种I/O接口和中断系统、定时器/计时器及A/D转换器等功能于一体的51系列单片机。芯片采用STC89C52RC，具有32位I/O口线、一个全双工串行口，可以计算、储存及向外发送数据，工作电压3.3～5.0 V［9］。

系统工作时，霍尔传感器把4个车轮的旋转信号转化为脉冲信号，并将脉冲信号送往单片机，单片机同时对4个脉冲进行计数，每次经过预设的发送时间将数据通过无线串口向外发送。其系统电路如图2所示。

图2　无线发射系统电路图Fig.2 Wireless emitting system circuit diagram

2.2无线接收模块

无线接收系统同样选用了51系列单片机，与无线串口接收模块及LCD液晶显示屏共同构成了转速的显示系统。

接收系统工作时，无线接收模块随时准备接收数据，一旦接受到数据，就对数据进行校验，然后再将经校验后的数据送往单片机内，由单片机对数据进行计算及存储，并将结果显示在LCD液晶屏上。接收系统电路如图3所示。

3　软件设计

软件系统主要分为发射端程序和接受端程序。发射端程序主要包括主程序、脉冲变化检测程序和中断发射程序；接受端程序主要包括主程序、数据处理程序和数据显示程序。

图3　无线接收系统电路图Fig.3 Wireless receiving system circuit diagram

发射端程序：在发射端，一旦检测到脉冲发生变化，程序内部定义的脉冲数加1，每次经过预先设定的数据发送时间，数据通过无线发射模块向外发送。

接收端程序：接收端，单片机通过无线接收模块接受数据，当检测到数据接收成功，马上对数据进行处理并显示，同时等待接受下一次数据。

接收端和发送端程序流程图如图4—5所示。

图4　发送程序流程图Fig.4 Flow chart of emitting program

图5　接收程序流程图Fig.5 Flow chart of receiving program

4　实际测试与结果

实地测试选用的拖拉机为麦赛福格森4245式拖拉机，如图6所示。实际转速选取拖拉机在低中高三档常用的转速，通过资料查到4245式拖拉机的传动比和前后轮直径，可计算得到实际转速值。在被测试拖拉机的每个轮上安装每圈24个磁极的磁盘。

图6　麦赛福格森4245型拖拉机Fig.6 MASSEY FERGUSON 4245

表1　直线行驶时测量转速与实际转速的对比Tab.1 Comparison between experimental data and actual data on straight driving

表2　转弯行驶时测量转速与实际转速的对比Tab.2 Comparison between experimental data and actual data on turning driving

式中K为时间段内检测到的脉冲个数；T为每次发送数据的时间间隔；m为轮盘每圈的磁极数；n为轮的转速。

直线行驶时显示转速及实际转速如表1所示。

弯道行驶时显示转速及实际转速如表2所示。

R1、R2为2个前轮转速，R3、R4表示2个后轮的转速。转弯时的实际转速为相同速度下直线行驶的转速。

从表1和表2可以看出，拖拉机直线行驶时所测数据平均误差不超过3%，转弯时所测平均转速误差不超过3%，且随着转速预设值的增大，误差逐渐缩小。

5　结束语

1）系统对拖拉机进行多轴转速实时监测，实验结果显示系统监测精度较高，能满足分布式监测的要求。

2）采用了强穿透性的无线传输模块，提高了系统的可靠性，可以实现异地实时监测。

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［9］郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略［M］.北京：电子工业出版社，2009.

Wireless Distributed Revolution Measurement system based on single-chip microcomputer

Li Dao，Yang Dantong，Li Qing※
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

Based on single-chip microcomputer control technology，a wireless distributed revolution measurement system was developedby using hall sensors.The system makes it possible to monitor the rotate speeds on different axles in real time.The practical test results indicate the system has a good ability of anti-disturbance and keeps a high precision.

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广东省科技计划项目（2013B020313005）

李导（1991—），硕士研究生，主要从事地面车辆系统与导航技术研究。

李庆（1973—），副教授，研究方向为车辆工程和现代农业装备。Email:lqiing@scau.edu.cn