基于STM32单片机的电机转速测量仪设计

2021-06-03无锡科技职业学院

电子世界 2021年9期

无锡科技职业学院史萍张瑾

为了实现电机测速的高性能、低成本、低功耗，本文设计了一种基于STM32F103CET6单片机控制的电机转速测量仪，用OLED屏显示其每分钟转速和电机图片。采用霍尔传感器接收电机旋转信号，经过上拉处理后送STM32单片机，单片机用中断的方式进行处理，通过连续两次接收到传感器信号的时间差确定每分钟电机的转速。该测速仪便于功能扩展、电路结构简洁、性能价格比高、实用性强。

随着芯片技术及其开发软件的不断发展，许多控制功能可以采用嵌入式技术来完成，这样就为电机的精准测速提供了便捷，通过测速可以反应设备运行是否正常以及确定定位精度。本测速仪把嵌入式STM32单片机技术运用到电机测速系统中，不但可以提高性能，而且还可以降低功耗，进而减少系统成本。另外，霍尔传感器利用磁感应测速抗外界干扰能力强且灵敏度高，进一步提高了测速精度。

1 电机测速仪硬件设计

电机测速仪硬件设计框图如图1所示，霍尔传感器模块将感应到的电机信号经过处理成为脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号送STM32F103CET6单片机，单片机进行信息处理，最后送ALIENTEK OLED显示模块，该模块采用8080并行模式，OLED屏显示中英文汉字、电机转速和电机图片。

图1 电机测速仪硬件设计框图

1.1 霍尔传感器模块

霍尔传感器模块组成如图2所示，图中霍尔传感器型号为3144，1脚接电源（电源范围为4.5V至24V，本设计选择5V供电），2脚接地，3脚接10K的上拉电阻连3.3V电源，然后接STM32单片机的PE2脚。

霍尔传感器模块中的霍尔传感器预先安装固定，在电机的旋转部位安装导磁性能优良的磁钢，当电机旋转时将带动磁钢接近霍尔传感器，此时霍尔传感器3脚将输出信号送给单片机，电机不转时霍尔传感器输出高电平，当电机旋转时霍尔传感器接近磁钢将输出低电平。

图2 霍尔传感器模块组成

1.2 STM32F103ZET6单片机

STM32F103ZET6单片机为中低端的32位增强型微处理器，由意法半导体公司制造，其内核基于Cortex-M3即采用哈佛结构，运用三级流水线处理机制并增加了分支预测功能，完全基于硬件进行中断处理，中断处理速度快；最高工作频率达72MHz，片内Flash为512K，指令运行周期短；3.3V供电，为低功耗芯片；该芯片集成了Timer、ADC、SPI，I2C及UART等多种外设功能，易于功能扩展。其端口PA～PG可根据需要定义成输入或输出及多种复用口，这样PCB板的设计人员不必把某些信号在板上绕一大圈完成联接，既便于PCB的设计又减少了信号的交叉干扰。

图3 单片机和OLED模块插座连接图

单片机和OLED模块插座连接如图3所示，图中U3为STM32F103ZET6单片机，J1为OLED模块连接插座，OLED的片选信号OLED_CS和单片机的PD6相连，OLED的写数据信号OLED_WR和单片机的PG14相连，OLED的读数据信号OLED_RD和单片机的PG13相连，OLED的硬复位信号OLED_RST和单片机的PG15相连，OLED的命令/数据标志信号OLED_RS和单片机的PD3相连，OLED的数据信号D0～D7分别和单片机的PC0～PC7相连。

图3中U3的PE2接霍尔传感器模块送来的信号。U3的8脚和9脚间接外部低频32.768KHz晶振，晶振JZ2和电容C7、C6构成晶体振荡电路。U3的23脚和24脚间接外部高频8MHz晶振，同样晶振JZ1和电容C2、C3也构成晶体振荡电路。U3的33脚接电源并对地接电容作去耦处理，起保护芯片作用，30脚接地。

图4 OLED显示模块

1.3 OLED显示模块

OLED显示模块如图4所示，图中OLED1为OLED12864液晶显示屏，可以显示128×64个点，J2为OLED显示模块插头，与图3中的J1配对使用，OLED1的BS1和BS2分别接J3和J4的TP信号，通过跳线帽短接3.3V电源或地，接电源时信号值为‘1’，接地时信号值为‘0’，BS1、BS2为不同信号值代表不同的工作模式，如表1所示，当BS1和BS2为“00”时，OLED工作于4线SPI模式；当BS1和BS2为“10”时，OLED工作于I2C模式；当BS1和BS2为“01”时，OLED工作于8位6800模式；当BS1和BS2为“11”时，OLED工作于8位8080模式。本设计中OLED模块采用8位8080工作模式。

表1 OLED模块工作模式

OLED的优点是具备自发光特性，不需背光源，高辨率为128×64；其使用了非常薄的涂层和玻璃基板，厚度可以做得较薄，可用于挠曲性面板。其缺点是尺寸难以实现大型化和没有显存，它的显存依赖于SSD1306驱动芯片，显存大小为128×64位，这些显存分8页，每页包含了128个字节。

2 电机测速仪软件设计

2.1 电机测速仪软件流程图

电机测速仪软件流程图如图5所示，先进行初始化，然后调用函数显示相关文字和电机图片。当STM32第一次接收到传感器信号时，定时器计数值清零；当接收不到第二次传感器信号时，定时器TIM5溢出；当定时器溢出次数超过预设值时，表示电机电机不转，显示转速值为0。当第二次接收到传感器信号时，单片机读取定时器计数值TIM5_CNT，此值即为定时器计数总时长，也就是电机转1圈所花的时间，已知通用定时器的时钟为72MHz，则电机转速的计算公式为（60×72×106）/定时器计数值。

图5 电机测速仪软件流程图

2.2 传感器中断信号处理

图5中传感器信号作为中断信号送STM32单片机。STM32F103的中断很强大，每个GPIO口都可以作为中断使用，STM32F103ZET6的16条外部中断线最多可连接112个GPIO，PA0～PG0共用1条EXIT0外部中断线，PA1～PG1共用另1条EXIT1外部中断线，其他IO口共用外部中断线，以此类推。STM32F103的中断优先级寄存器NVIC_IPRX用于配置外部中断的优先级，使用IPR的高4bit配置若干种中断优先级，其数值越小优先级越高，即外部中断EXIT0优先级最高。中断编程分四大步骤：（1）配置相关寄存器使能中断请求称为外设使能，如单片机接收到传感器送来的外部中断信号，这个中断由外部中断控制寄存器的相关中断使能位来控制；（2）通过NVIC_PriorityGroup函数配置中断优先级分组；（3）配置NVIC寄存器，初始化NVIC_InitTypeDef函数，指定中断源、抢占优先级、子优先级、内核中断使能或失能；（4）编写中断服务函数。