郝张振，付成伟

（吉林大学 物理学院 ，吉林 长春 130012）

基于STM32单片机的转速扭矩显示传输系统的设计

郝张振，付成伟

（吉林大学 物理学院 ，吉林 长春 130012）

该设计是一款多量程、高精度的转速扭矩测量显示传输系统。该系统以JN338型转速扭矩传感器为基础，通过实时检测传感器产生的转速和扭矩信号，计算出转动设备的实时转速和扭矩，进而实现数据的显示与远程传输。经过检测安装在步进电机上的JN338型转速扭矩传感器产生的转速和扭矩信号，测试结果与预期目标一致。可以满足设计检测要求。

转速；扭矩；STM32单片机；转动设备

转动设备是工业生产和科学研究中必不可少的机械设备，在日常社会生产生活中起着十分重要的作用。转动设备工作的两个基本物理量是转速和扭矩，对它们进行实时准确的检测是工业生产和科学研究的切实要求[1]，可以极大的促进由转动设备带动的工业生产和实验研究的发展。而本设计所介绍的转速扭矩测量系统将实现对转速和扭矩的实时检测、持续显示以及远距离传输等功能，不仅检测时间短、数据准确，还实现了上位机的远程检测。

1 系统设计方案

本测试系统主要使用了 JN338型传感器、STM32F103VET6单片机和MT08041AR 0.8寸4位共阴型数码管等元器件。JN338型传感器是北京新宇航世纪科技有限公司生产的一种多型号转速扭矩传感器，用于转速和扭矩的测量，可以给出与转速和扭矩相关的方波信号，供外界进行检测。STM32F103VET6单片机芯片具有多达几十个可用输入输出端口，系统时钟高达72 MHz[2]，保证了检测数据在时间上的要求。MT08041AR型数码管属于共阴型数码管，显示数据时清晰、直观。

传感器输出的脉冲信号由单片机I/O端口进行捕获采集，经单片机内部对信号进行处理、计算后控制数码管进行数据显示。同时使用CAN通讯进行数据的远程传输[3-5]。

CAN通讯具有传输距离远、抗干扰性能强的优点[6]。

系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 系统总体设计

2.1 硬件电路设计

硬件电路包括信号采集模块、电压转换模块、数据传输模块及显示模块等4个部分。

JN338型传感器转速信号是5 V的TTL脉冲信号，而STM32单片机I/O端口电压为3.3 V，信号不匹配，采用预处理电路将信号处理为3.3 V，输入单片机I/O端口，以满足信号采集的电平需求[7-8]。

为了方便使用，系统供电使用220 V的市电，JN338型传感器需要±12 V的直流电供电，单片机和数码管需要+5 V直流电压供电，所以需要先对电压信号进行转换。系统供电使用JMD20-D15型号的开关电源，输入电压为220 V的市电，输出电压为±15 V的直流电，再使用MC7812和MC7912降压芯片将±15 V电压转换为±12 V电压供JN338型传感器使用[9]；同时使用LM2596降压模块将+15 V电压转换为+5 V电压为单片机及数码管供电[10]。电路框图如图2所示[11-12]。

图2 电压转换框图

为了减小单片机的数据处理时间，将单片机接收JN338型传感器输入数据的端口配置为定时器捕获模式，使其自动计数，不消耗单片机的程序处理时间。

数据传输模块采用 CAN通讯。外部使用82c250y型号的CAN总线收发器，连接STM32单片机CAN控制器和物理总线，对单片机发出的CAN信号进行差分处理，以便更好地实现数据的远距离传输。

显示模块使用MT08041AR型数码管，将其各个引脚与STM32单片机控制显示的对应I/O端口相连接。

2.2 软件设计

在信号采集时，由单片机I/O口检测转速扭矩信号电平，使用单片机内部定时器定时，检测一定时间内的高低电平转换次数，进而计算出其频率f[13]。该系统可以根据对其选择的显示类型，如转速、扭矩（包括量程）等，进行相应的数据计算与显示，并通过CAN通讯模块进行数据传输，以实现远程控制与显示，便于使用[14]。

系统总体程序流程图如图3所示[15-16]。

图3 程序流程图

其中，Mp为正向转矩，MR为反向转矩，N为转矩满量程，f0为此转矩零点输出频率值 （kHz），fp为正向满量程输出频率值（kHz），fr为反向满量程输出频率值（kHz），f为实测转矩输出频率值（kHz）。

转速换算关系为：n=60f/Z，其中n为转速（r/min），Z为传感器测速盘齿数。

3 测试结果及其分析

用波形发生器给予系统13.5 kHz和225 Hz的方波信号，其波形如图4上半部分所示，将转速扭矩显示传输系统的扭矩量程选择为20 N*m时，测试数据如图4左边部分所示。

当扭矩量程为300 N*m时，测试数据图4中间部分所示：

误差在（2 100-2 098）/2 100≈0.000 95=0.95‰左右，足以满足设计测量要求。其传输到远程上位机的原始数据如图4下半部分所示。

图4 测试效果图

4 结束语

此系统具有体积小，量程多，成本低，可远程监测与显示等优点，不仅充分利用了单片机提供的内部资源，而且在现有的测量仪器基础上进行了众多改进，使其测量效果更加显著。

[1]李娜娜，吴伯农，于鹏，等.采用光电方式测量转轴扭矩的原理研究[J].光机电信息，2008（10）:45-50.

[2]刘火良.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]袁希光.传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

[4]张福学.传感器应用及其电路精选 [M].北京：电子工业出版社，1991.

[5]曹金洪.新编电工实用手册 [M].天津：天津科学技术出版社，2014.

[6]孙涵芳.单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[7]秦曾煌.电工学[M].高等教育出版社，1999.

[8]赵良炳，现代电力电子技术基础[M].清华大学出版社，1995.

[9]杨恩霞，田仁，纪鑫.非接触式在线动态扭矩测量装置的设计[J].应用科技，2006，33（10）:60-62.

[10]赵新民.智能仪器设计基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.

[11]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1982.

[12]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13]李增国.传感器与检测技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[14]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007.

[15]常斗南.可编程序控制器原理、应用、实验[M].北京：机械工业出版社，1998.

[16]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

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

HAO Zhang-zhen，FU 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稿件编号：201603034

郝张振（1990—），男，山东菏泽人，硕士研究生。研究方向：汽车电子及单片机应用技术。