基于嵌入式系统的直流电机转速检测系统研究

龙 彬，罗维平，陈璐露



基于嵌入式系统的直流电机转速检测系统研究

龙 彬，罗维平*，陈璐露

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200）

介绍直流电机转速检测系统的硬件电路和软件设计方案。该系统利用霍尔传感器获取直流电机转动时产生的的脉冲信号，根据脉冲信号的数值计算直流电机的转速，以单片机为核心，通过人机接口实现直流电机转速的显示与设定。同时，利用LabView对数据进行实时跟踪和显示，通过实验测试和数据分析，证明了该转速检测系统具有较好的稳定性和调速效果。

霍尔传感器；单片机；直流电机；LabView；转速检测

直流电机因其开关频率高、低速运转稳定，动态性能好、功率高，广泛应用于现代自动化工业中。本文提出了一种基于单片机测量直流电机转速的方法。以AT89C51单片机为核心，通过霍尔传感器（A3144E）输出的直流电机的脉冲信号来计算电机的转速，利用单片机的外部中断和定时编程算法，将所获得的速度显示在数码管上，实现电机转速的实时获取，并用按键来控制电机的转速挡位，控制电机的正转速度和反转速度[1]。采用驱动芯片L9110S驱动电机，该芯片有两个输出，这两个输出端能直接驱动的直流电机的正向和反向转动，此芯片具备较好的抗干扰能力和电机驱动能力[2]。以单片机为核心，通过LabView提供的串口将采集到的数据传送到上位机，在LabView环境下，对数据进行处理和分析，并进行相关控制。测试结果表明：该检测系统具有较好的稳定性和调速效果。

1 系统总体结构框图

该系统以AT89C51单片机为核心，由霍尔传感器（A3144E）、直流电机、直流电机驱动芯片（L9110S）、按键、数码管、软件LabView等几部分组成。该系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

1.1 霍尔传感器

根据霍尔效应设计的霍尔传感器，在磁场中能检测磁场并能感应周围磁场的变化。霍尔传感器小体积、高灵敏度、高精确度、高可靠性的特点，广泛应用于转轴测速系统中获取脉冲信号，计算转速值[3]。霍尔传感器有线性和开关型两种类型，线性霍尔传感器输出的是模拟信号，而开关型霍尔传感器输出的是数字信号[4]。该系统运用的单极性开关型霍尔传感器（A3144E），霍尔传感器的组成由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级几部分组成。在一定条件下，当有磁感应强度输入时，就会有一个数字电压信号的输出。

由霍尔传感器的原理可知，当垂直于磁场方向的霍尔传感器通电流并且此电流垂直于磁场时，霍尔元件就能产生在一个在该磁场强度下相对应的霍尔电势差。霍尔电势差存在的条件下，当保持电流不变，改变磁场强度的大小，霍尔电势差会发生相应的改变。当霍尔元件相对于磁钢运动并切割磁力线时，霍尔传感器的输出端就会有电压信号的输出[6]。

1.2 驱动芯片

L9110S是两通道功率放大专用集成电路器件，专门为控制和驱动电机设计。该芯片有两个输入，兼容TTL/CMOS电平，抗干扰性良好；两个输出端能直接驱动电机的正向和反向运动，电流驱动能力较强；每通道的持续电流：750～800mA，峰值电流：1.5～2.0A；输出饱和压降较低；由内置的钳位二极管释放的感性负载反向冲击电流，确保了驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管时的可靠性和安全性。引脚功能如表1所示。

表1 引脚功能表

驱动芯片L9110S能驱动一个直流电机，并且能控制电机正转和反转状态。

2 测速原理

数字测量方法主要有测频率法和测周期法。该系统研究主要采用测频率法。单位时间内，获得信号的数量就是信号的频率。在单位时间间隔内，根据获得的脉冲数计算转速。从某种程度上，该系统测速情况下的频率即转速。测速就是测频。霍尔传感器在磁场中总是能产生相同大小的电压并且与转速无关，即能在低速情况下获得精确的测量结果。霍尔传感器的安装位置决定了输出信号的强弱，为了获得最佳信号效果，通过多次实验，确定霍尔传感器距离电机外壳的最佳安装位置。磁钢在旋转过程中能产生的垂直磁场和平行磁场的信号，霍尔传感器能感应这种磁场信号，转轴在旋转一周的过程中能产生一个或多个固定的脉冲，通过霍尔传感器获取该脉冲并送入单片机中进行计数，通过单片机的数据处理，能输出直流电机的一个转速值。在转盘上增加几个磁钢可以提高检测的精度[5]。

3 系统硬件设计

控制系统的硬件原理图如图2所示。

图2 控制系统硬件原理图

3.1 转速测量与显示模块

3.1.1 转速测量

该系统采用单极性开关型霍尔传感器A3144E实施转速测量。将固定有磁钢的非磁转盘固定在电机的转轴上，目的是为了当启动电机，电机转动时，转盘也能够随着电机的主轴转动，并且与转轴的转动速度同步，固定在转盘附近的霍尔传感器能够感应磁钢转动时产生的磁场变化，并产生一个相应的脉冲，通过记录单位时间内获得的脉冲数，计算电机的转速值。

在控制系统原理图2中，霍尔传感器A3144E的输出引脚OUT与单片机的定时/计数器1（P3.3）引脚相连，引脚OUT外接一个上拉电阻。当霍尔传感器感应到磁钢的磁场时，引脚OUT端输出一个低电平，反之，引脚OUT端输出一个高电平。霍尔传感器的电平从高到低的过程中，下降沿可触发外部中断1计数，每输入一个脉冲，计数器加1，通过控制计数的时间即可计算出计数器数值对应电机的转速值。

3.1.2 显示模块

转速显示采用四位共阳极数码管显示当前的转速值，字码线经过上拉排阻接单片机的P0引脚，四位位码线分别接单片机的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引脚（如图2所示）。通过软件编程，能够将获得的电机转速显示在数码管上。

3.2 转速控制模块

控制系统采用的是AT89C51单片机，通过八个按键控制电机的转速，按键可以实现电机的正转、反转、全高速、高速、低速、次低速等六种速度形式[7]。八个按键与单片机的P1引脚相连（如图2所示）。

3.3 电机驱动模块。

电机驱动采用驱动芯片L9110S，该芯片有两组输入和输出，输入IA和IB分别与单片机的P2.1和P2.2引脚相连（如图2所示），控制电机的正转和反转，OA和OB与电机相连，驱动电机。驱动芯片上的引脚5和引脚6接+5V的高电平，引脚1和引脚4接低电平。驱动芯片功能引脚如表1所示。

4 系统软件设计

软件设计是在硬件设计电路的基础上，根据所要实现的功能进行的程序设计，包括获取A3144E采集的脉冲信号、脉冲计数、转速显示和按键对电机转速的控制等部分。总体程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

根据图2的硬件电路设计原理图可知，单片机的外部中断1工作在计数模式下，对霍尔传感器获取的脉冲计数；定时/计数器T0工作在定时模式下，控制计数的时间。转速值的计算公式如下：

式中：n为转速，单位：转/分钟；N为采样时间内脉冲，N=256*TH0+TL0；T为采样时间，单位：分钟；m为每转动一周所产生的脉冲数。

根据编程的原则，将转速值分解为四位，分别显示在数码管上，通过单片机的P0口和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引脚分别控制字选和位选。电机驱动通过L9110S上的OA和OB控制。

5 系统仿真与结论

上位机LabView的初始界面、低速、高速、全高速条件下，速度、平均速度及波形如图4所示。启动系统，连接硬件设备，测试三种转速条件下，LabView软件界面上所显示的速度、平均速度和波形。

图4 上位机初始界面

图5 低速档位下速度、平均速度及波形

由图5可知，三组数据误差也在正常范围内，说明此档位下速度稳定，外界干扰较小，实验结果可靠。

由图6可知，三组数据误差也在正常范围内，说明此档位下速度稳定，外界干扰较小，实验结果可靠。 由图7可知，三组数据误差超出正常范围，说明此档位下速度不稳定，外界干扰较大，实验结果不可靠，此组数据结果应该舍弃。

图6 高速档位下速度、平均速度及波形

图7 全高速档位下速度、平均速度及波形

综上所述，该系统在低速和高速情况下，系统稳定，在全高速状态下，系统受干扰较大。在以后的研究中，可以从如何减少系统的干扰，增强系统的抗干扰能下入手研究，提高系统的稳定性和抗干扰能力。

[1] 赵树磊，谢吉华，刘永锋．基于霍尔传感器的电机测速装置[J]．江苏电器，2008，(10)．

[2] 林家泉．一种小型直流电机控制系统硬件设计方案[J]．自动化与仪表，2014，(11)．

[3] 郭清，王元昔．霍尔传感器在直流电机中的应用[J]．传感器与微系统，2013，(03)

[4] 何道清．传感器与传感器技术[M]．北京：科学出版社，2004．

[5] 丁芝琴．基于霍尔传感器的电机测速装置设计[J]．农机化研究，2010，(05)．

[6] 董雷刚，崔晓薇．复杂路况下的智能循迹小车方案设计[J]．电脑知识与技术，2014，(07)．

[7] 姚荣斌，孙红兵．基于STC89C51RC的转速测量系统设计[J]．连云港师范高等专科学校学报，2007，(04)．

The research of the DC motor speed detection system based on embedded system

LONG Bin, LUO Wei-ping, CHEN Lu-lu

( School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

This article mainly introduced DC motor test and control system hardware circuit and software design method. System by DC motor with hall sensor measurement of the pulse signal, the calculation of the dc motor speed, with the single chip processor as the core, through the man-machine interface display and set the rotation speed of dc motor. At the same time, using LabView to real-time tracking and data display, through the experiment test and data analysis, it proves that the speed detection system has good stability, real-time and good control effect.

hall-effect sensors; single-chip microcomputer; DC motor; LabView; speed detection

TN253

A

2095－414X(2017)03－0060－04

罗维平（1967-），女，教授，研究方向：检测技术与智能控制、信号与信息处理.