一种基于STM32单片机的直流电动机测速装置设计

邓滨++辛建军++张瑾++张孟强

摘要：以STM32单片机为核心设计，通过电动机电枢供电回路串接采样电阻与以自制传感器方式检测电动机壳外电磁信号的两种方式检测小型直流有刷电动机的转速，利用电压跟随器、同相比例运算放大器、电压比较器、带通滤波器等电路进行采样信号处理；通过串口液晶显示屏来实现人机交互，清晰显示小型直流有刷电动机的实时转速；在系统控制过程中，应用递推平均滤波算法去除杂波信号，使串口屏幕显示转速值更加稳定；该系统可实现真人语音播报转速。

关键词：STM32单片机；小型直流有刷电机； 串口液晶显示屏；递推平均滤波算法

中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）12-0006-03

直流有刷电机，是一种非常通用和实用的电气设备，通过控制器及其相应组成电路能实现智能调速，在构成闭环调速的系统中，必不可少的部分就是反馈环节，反馈环节测量数据的准确性、稳定性对系统性能影响巨大，因此需要精确度高、响应速度快的测量装置完成测速工作，以达到控制系统对速度的控制要求。本直流电动机测速装置，可通过电动机电枢供电回路串接采样电阻与以自制传感器方式检测电动机壳外电磁信号的两种方式检测小型直流有刷电动机的转速，误差小，速度快，实时显示并可语音播报，制作方便。

1 方案设计

1.1 控制器模块选用

采用 STM32F103单片机[1]作为系统控制器，STM32F103单片机是32位单片机，有一定智能模块，拥有大量的外设接口，储存容量远高于51单片机。运算速度快，能够满足读数据的快速采集和滤波处理。

1.2 放大芯片的选用

采用具有低失调、高开环增益的OP07芯片[2]搭建放大电路，电压值准确、可靠。

1.3 显示模块的选用

采用串口屏显示。不仅能够同时显示汉字、数字和符号，并且从用户的角度来讲，界面的通俗易懂，并且设置简单，才是一个产品的最终宗旨，对数字和图形的显示更加容易，对产品的功能设置更加方便。

1.4 系统方案设计

本直流电动机测速装置系统设计方案如图1所示，以电动机电枢供电回路串接采样电阻电路与自制传感器检测电动机壳外电磁信号两种方式反馈直流有刷电机的转速，经过输入捕获进行数据采集，通过STM32F103单片机对数据滤波处理，将数据稳定显示在串口显示屏。

2 硬件电路原理及实现

2.1 电源部分设计

采用二极管搭建电源部分，见图2。将220V交流电整流成直流12V、5V、3.3V分别为采样及信号处理电路、单片机、串口屏供电。

2.2 测速信号采样及处理

本装置采用了两种速度信号采集方式，见图3，以电动机电枢供电回路串接采样电阻电路与自制传感器检测电动机壳外电磁信号两种方式采集速度信号，信号处理电路见图4，利用OP07运放将采样电阻R7上的电压信号进行跟随，提高信号的带载能力；带通滤波器将杂波滤除，保留所需速度信号，提高准确性；然后利用OP07搭建的正向比例运算电路将信号进行放大；电压比较器LM393，将放大后的信号进行波形的处理，通过R8分压后提供单片机采集。

2.3 显示功能实现

图5为串口屏硬件电路，该屏在显示信号值时，不仅能够同时显示汉字、数字和符号，并且接线方便，设置简单。

3 软件系统的流程及实现

软件设计通过输入捕获采集直流有刷电动机转速，经系统检测是否为杂波信号，采用递推平均滤波算法[3]对输入捕获采集的信号进行精确运算计算公式如下：

#define Y 20

int B[Y+1]；

/*递推平均滤波法*/

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）；

}

系統软件流程图如图6所示。

4 测试结果及分析

将本装置测试结果与同一测试电机采用非接触式光学测速仪（UT371，精确度0.04%）测量数据进行比较，结果如下表1所示。

测试过程中串口实时显示速度如图7所示。

根据测试数据比较，电动机电枢供电回路串接采样电阻实现的相对测量误差小于0.6%，以自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式测量的相对误差小于0.5%，系统响应周期为1s。

5 结语

以核心控制模块STM32F103为最小系统，采用精密运放和宽电压比较器、运放构成的跟随电路有效的提高了带载能力。电压比较器有效的处理了放大后的波形，便于单片机采集。测试结果表明该装置误差小，可达到常见闭环调速系统测速反馈信号的需求，电气结构设计合理，串口屏显示信息全面，可实现真人语音播报转速。

参考文献

[1]王铁流，秦璐璐，李宗方，高嵩.基于STM32嵌入式系统的智能控制网络终端设计[J].电子元器件应用，2009，（06）.

[2]李慧，李秀歌，娄利峰.飞思卡尔智能车设计方法探讨[J].长春工程学院学报（自然科学版），2012，（01）.

[3]丁锋.系统辨识（7）：递阶辨识原理与方法[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），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