基于单片机的光点测速传感器

李槐生

摘 要：基于单片机的车速控制系统，以MPC5604芯片为核心构建一个单片机的车速控制系统。它的硬件系统包括电源、主控模块、按键模块、显示模块和光电式测速传感器测电机转动等四大模块。系统软件部分由主函数控制模块、定时中断和外部中断模块、初值定义模块、按键修改部分、5110初始化模块、PID控制转速模块、回路控制转速模块等组成。其目的是实现实时控制电机转速，从而实现车速的控制，计算车辆行驶路程，并显示设定车速、当前采集车速、PID控制参数、行驶路程。

关键词：光电式测速传感器；车速控制；PWM控制；单片机

中图分类号：TB114.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.016

文章编号：2095-6835（2016）11-0016-03

1 系统实现的基本功能

系统实现的功能有以下4中：①按键设定并显示车速和PID控制参量，按键控制电机起停；②实时显示实际车速与行驶路程；③PWM转速闭环控制；④车辆超速报警。

车辆超速报警：1、5110显示设定速度、采集速度、PWM占空比、PID参数； 2、按键修改设定速度、PID参数；3、按键控制电机启停；4、PWM转速闭环自动控制。

其系统组成结构图如下：

2 方案设计

单片机MPC5604为整个系统核心控制部件。其振荡电路靠单片机利用内部时钟来完成，为系统的主频率，是单片机执行服务的基准。外部电路包括复位电路、显示电路、光电式测速传感器等。通过单片机及PID参数调节控制输出相应的PWM电机控制信号实现电机车速的控制。

本系统是基于单片机的转速控制系统的设计，所以核心内容是单片机控制。通过不断的脉冲计数、计算速度、PWM占空比的调节、刷新显示，及按键扫描和执行相应的按键功能，设计功能如下：①5110显示和按键扫描程序设计和调试；②转速检测程序设计及其调试；③PWM占空比的回路控制调节电机的转速。

2.1 硬件电路

单片机为系统转速控制的控制中心，也是最小的单片机组成，其包括一块MPC5604芯片、复位部分、晶振时间频率控制部分。系统主控结构情况如图2所示。

选用单片机MPC5604 （以下简称 5604），100 引脚封装。这款单片机的运算速度、存储容量以及端口（ATD， I/O， PWM， SCI 等）能够满足设计要求。为了使电路板紧凑，仅对所用到的必要引脚引出，适当留有备用端口，其中包括PWM 接口、FTM、普通I/O 口、JTAG 接口、SCI 接口等。

电路板实物尺寸为42 mm×42 mm。

2.1.1 系统供电模块电路设计

系统使用电压为7.2 V的镍镉电池供电。由于单片机模块、5110模块、电机驱动模块均为5 V供电，采用集成三端稳压电源。LM2940稳压器件，输出电流1A足以满足单片机供电的需要。因为电路中存在感性负载，存在大电流，为了最大限度地降低各个部分对单片机的干扰，单独采用一片LM2940 对单片机和起跑线检测模块进行供电。而其他需要5 V供电的模块则采用另一片LM2940进行供电。传感器部分本身功耗并不高，但要求稳定工作，因此单独用一片LM2940为其供电。最终电源原理如图3所示。

2.1.2 电机驱动电路设计

驱动电路为电机提供控制和驱动，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。目前流行的H 桥驱动电路有：H 桥集成电路，如MC33886；集成半桥电路，如BTS7970 等；MOS 管搭建的H 桥电路。我们对三种电路都进行了搭建并测试。MC33886 的优点是电路简单，外围元件少；但缺点是内阻较大，通过电流有限，可以通过两片MC33886 并联的方式进行改善。MOS 管搭建的H 桥电路可以通过较大电流，但由于每个MOS 管体积较大，因此电路板面积较大。另外，MOS 管H 桥电路可能会发生脉冲上升沿、下降沿由于不够陡峭而带来的瞬间短路、功率过高等问题。为此，选择了两个目前比较流行的BTS7970 半桥集成电路组成H 桥电路，原理如图4所示。

2.1.3 5110液晶显示电路

5110液晶显示模块，为点阵字符型液晶显示模块，有自带驱动IC和液晶显示控制IC，其内部有字符发生器和显示数据存储器。该模块具有与MCU接口：8位或4位并行/3位串行数据总线接口。CS与单片机的P10口连接，SID与P11口连接，SCLK与P12口连接。B_Light为背光显示，可以不连接。通过5110电路实现数据和命令的发送、汉字和字母的显示。

其5110显示电路如图5所示。

2.1.4 按键接口电路

系统中，由于需要对设定速度、PID控制参数的修改，实现实时转速控制在一定误差范围内，所以系统在单片机P2口加入4×4的矩阵按键分别对其修改。从左至右、从上到下将按键依次定义为1—16. 其中，1—10为数字按键，按键13、按键14、按键15、按键16为功能按键。按键接口电路如图6所示。

2.1.5 辅助调试电路

2.1.5.1 LED指示电路

本系统有3个共阴极的发光二极管，其中当D1亮指示PWM控制转速模式，D2发光二极管亮指示修改设定速度模式，D3亮指示修改PID参数。当三个灯都亮，则说明电机为启动状态；当3个发光二极管都灭，则说明电机为停止状态。

2.1.5.2 LED灯电路

LED灯电路图如图7所示。

2.1.5.3 蜂鸣器报警电路

当转速超过规定速度以及其他情况时，将使用蜂鸣器进行报警。蜂鸣器报警电路如图8所示。

2.2 软件设计

主控模块程序：根据系统功能描述，可以将软件大致划分为6个模块：主函数模块，系统参数初始化模块，5110初始化、发送命令、发送数据和显示汉字和显示字母模块，按键识键和功能设置模块，中断模块，PWM控制模块。主程序执行的过程是，先进入主程序初始化，在没有按键按下的时候，5110实时显示；当有按键按下的时候，则执行按键所对应的功能。

其主函数程序流程如图9所示。

2.2.1 程序流程

通过单片机内部定时中断功能，定时中断设定值为5 ms，中断服务函数流程如图10所示。

2.2.2 电机速度读取及车速计算

通过脉冲计数的方法来实现对速度的检测：在点击同轴的螺丝柱上装上100线光电码盘，这样当车轮转动时，光电码盘跟随电机同步转动，光电式速度传感器在码盘转动时产生TTL方波信号，使用输入脉冲测量功能对脉冲方波信号进行计数。由于采样周期固定（5 ms及定时中断时间）读出脉冲总数。5 ms内光电码盘转动一圈计数n=100。

由脉冲数计算实际速度的过程：对脉冲数N进行积分，行驶1 m测的脉冲个数的积分数N为4 700（也就说明码盘一共转了47圈）；如果速度为1 m/s时，则积分数N在1 s内积分值为4 700，因此每个程序周期n=4 700÷1 000×5=23.5。也就是，说如果n=23.5 对应车速为1 m/s。所以速度V=n/23.5 m/s。

模拟PID控制系统原理如图11所示。

2.2.3 回路自动控制PWM程序

回路自动控制程序为系统软件中用到的另一种PWM控制方法，其设计思想是根据采集速度与设定速度的差值分为几个不同的档位，对占空比的调节宽度也不同，差值越大，所增加的占空比也就越大。

车辆行驶路程计算及速度报警：行驶1 m脉冲个数的积分为4 700，因此，对转速n进行积分，积分值除以4 700，就是小车行驶的路程。程序给定速度值，当小车超速时，IO口置高，蜂鸣器报警。

参考文献

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〔编辑：胡雪飞〕