郝張振，付成偉

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院 ，吉林 長(zhǎng)春 130012）

基于STM32單片機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩顯示傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郝張振，付成偉

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院 ，吉林 長(zhǎng)春 130012）

該設(shè)計(jì)是一款多量程、高精度的轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)量顯示傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以JN338型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)，計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與遠(yuǎn)程傳輸。經(jīng)過(guò)檢測(cè)安裝在步進(jìn)電機(jī)上的JN338型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)一致?？梢詽M(mǎn)足設(shè)計(jì)檢測(cè)要求。

轉(zhuǎn)速；扭矩；STM32單片機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中必不可少的機(jī)械設(shè)備，在日常社會(huì)生產(chǎn)生活中起著十分重要的作用。轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備工作的兩個(gè)基本物理量是轉(zhuǎn)速和扭矩，對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的切實(shí)要求[1]，可以極大的促進(jìn)由轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展。而本設(shè)計(jì)所介紹的轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)量系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和扭矩的實(shí)時(shí)檢測(cè)、持續(xù)顯示以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙δ埽粌H檢測(cè)時(shí)間短、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本測(cè)試系統(tǒng)主要使用了 JN338型傳感器、STM32F103VET6單片機(jī)和MT08041AR 0.8寸4位共陰型數(shù)碼管等元器件。JN338型傳感器是北京新宇航世紀(jì)科技有限公司生產(chǎn)的一種多型號(hào)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，用于轉(zhuǎn)速和扭矩的測(cè)量，可以給出與轉(zhuǎn)速和扭矩相關(guān)的方波信號(hào)，供外界進(jìn)行檢測(cè)。STM32F103VET6單片機(jī)芯片具有多達(dá)幾十個(gè)可用輸入輸出端口，系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)72 MHz[2]，保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的要求。MT08041AR型數(shù)碼管屬于共陰型數(shù)碼管，顯示數(shù)據(jù)時(shí)清晰、直觀(guān)。

傳感器輸出的脈沖信號(hào)由單片機(jī)I/O端口進(jìn)行捕獲采集，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算后控制數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。同時(shí)使用CAN通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[3-5]。

CAN通訊具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[6]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括信號(hào)采集模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及顯示模塊等4個(gè)部分。

JN338型傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)是5 V的TTL脈沖信號(hào)，而STM32單片機(jī)I/O端口電壓為3.3 V，信號(hào)不匹配，采用預(yù)處理電路將信號(hào)處理為3.3 V，輸入單片機(jī)I/O端口，以滿(mǎn)足信號(hào)采集的電平需求[7-8]。

為了方便使用，系統(tǒng)供電使用220 V的市電，JN338型傳感器需要±12 V的直流電供電，單片機(jī)和數(shù)碼管需要+5 V直流電壓供電，所以需要先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)供電使用JMD20-D15型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源，輸入電壓為220 V的市電，輸出電壓為±15 V的直流電，再使用MC7812和MC7912降壓芯片將±15 V電壓轉(zhuǎn)換為±12 V電壓供JN338型傳感器使用[9]；同時(shí)使用LM2596降壓模塊將+15 V電壓轉(zhuǎn)換為+5 V電壓為單片機(jī)及數(shù)碼管供電[10]。電路框圖如圖2所示[11-12]。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換框圖

為了減小單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，將單片機(jī)接收J(rèn)N338型傳感器輸入數(shù)據(jù)的端口配置為定時(shí)器捕獲模式，使其自動(dòng)計(jì)數(shù)，不消耗單片機(jī)的程序處理時(shí)間。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用 CAN通訊。外部使用82c250y型號(hào)的CAN總線(xiàn)收發(fā)器，連接STM32單片機(jī)CAN控制器和物理總線(xiàn)，對(duì)單片機(jī)發(fā)出的CAN信號(hào)進(jìn)行差分處理，以便更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

顯示模塊使用MT08041AR型數(shù)碼管，將其各個(gè)引腳與STM32單片機(jī)控制顯示的對(duì)應(yīng)I/O端口相連接。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在信號(hào)采集時(shí)，由單片機(jī)I/O口檢測(cè)轉(zhuǎn)速扭矩信號(hào)電平，使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)的高低電平轉(zhuǎn)換次數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出其頻率f[13]。該系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)其選擇的顯示類(lèi)型，如轉(zhuǎn)速、扭矩（包括量程）等，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算與顯示，并通過(guò)CAN通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與顯示，便于使用[14]。

系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示[15-16]。

圖3 程序流程圖

其中，Mp為正向轉(zhuǎn)矩，MR為反向轉(zhuǎn)矩，N為轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)量程，f0為此轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)輸出頻率值 （kHz），fp為正向滿(mǎn)量程輸出頻率值（kHz），fr為反向滿(mǎn)量程輸出頻率值（kHz），f為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩輸出頻率值（kHz）。

轉(zhuǎn)速換算關(guān)系為：n=60f/Z，其中n為轉(zhuǎn)速（r/min），Z為傳感器測(cè)速盤(pán)齒數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果及其分析

用波形發(fā)生器給予系統(tǒng)13.5 kHz和225 Hz的方波信號(hào)，其波形如圖4上半部分所示，將轉(zhuǎn)速扭矩顯示傳輸系統(tǒng)的扭矩量程選擇為20 N*m時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4左邊部分所示。

當(dāng)扭矩量程為300 N*m時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)圖4中間部分所示：

誤差在（2 100-2 098）/2 100≈0.000 95=0.95‰左右，足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)測(cè)量要求。其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)的原始數(shù)據(jù)如圖4下半部分所示。

圖4 測(cè)試效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)具有體積小，量程多，成本低，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與顯示等優(yōu)點(diǎn)，不僅充分利用了單片機(jī)提供的內(nèi)部資源，而且在現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器基礎(chǔ)上進(jìn)行了眾多改進(jìn)，使其測(cè)量效果更加顯著。

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Design of a speed torque display and transmission system based on STM32 MCU

HAO Zhang-zhen，F(xiàn)U Cheng-wei
（College of Physics，Jilin University，Changchun 130012，China）

The outcome of this design is a multiple scale，high-precision system which is used to measure，display and transmit the speed torque.This system is based on the characteristics of JN338 type speed torque sensor.The speed and torque signals are real-time detected by speed torque generated by the sensor.Then the speed and torque of rotating equipment are calculated through signal processing and data operations so that they are displayed and transmitted.By tested the signal of rotation speed and torque produced by the JN338 sensor of rotation speed and torque which mounted on stepper motor，the test results and the expected goal is consistent.It can meet the requirements of tested design.

speed；torque；STM32 microcontroller；rotating equipment

TN919.5

：A

：1674－6236（2017）05-0116-03

2016-03-03稿件編號(hào)：201603034

郝張振（1990—），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：汽車(chē)電子及單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。