Vol．31 No．3
Sept.
2017
JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL
UNIVERSITY
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第
31
卷第
3
期
2017
年
9
月
第
3
期
南通职业大学学报
doi:10.3969/j.issn.1008-5327.2017.03.017
直流电动机测速装½的设计
——
—基于
2017
年全½大学生电子设计竞赛项目
2
宋玉锋
1
，
，束 慧
1
（
1.
南通职业大学 电子信息工程学院
，
江苏 南通
226007
；
2.
江苏现代电力科技股½有限公司
，
江苏 南通
226007
）
摘
要
：
以
STC15W4K48S4
单片机为核心，
设计了一种直流电动机测速装½，
给出了两种测速方式：
其一，
通过对直流电动机运½时产生的电枢电压上的脉冲信号进行信号调理，
实现对电机½速在线
测量；
其二，
采用自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式，
实现对直流电动机½速的非接触式测
电磁感应模块、
单片机控制模块、
有刷电机驱动模块、
显示模块等组成，
通过调
量。系统由电源模块、
试，
该系统实现了赛题的设计要求，
且精度高，
稳定性½。
关键词
：
直流电动机；在线测速；电磁感应；耦合；传感器；单片机
中 图 分 类 号
：
TM33
文献标志码
：
A
文 章 编 号
：
1008-5327
（
2017
）
03-0067-05
Design of DC Motor Speed Measuring Device
—
Based on the 2017 National Undergraduate Electronic Design Contest
——
2
SONG Yu-feng
1，
, SHU Hui
1
(1. School of Electronic Engineering & Information Technology, Nantong Vocational University,
Nantong 226007, China; 2. Jiangsu Modern Electric Capacitor Co., LTD, Nantong 226007, China)
Abstract:
The paper designs a DC motor speed measuring device based on STC15W4K48S4 SCM. It provides
two kinds of speed measuring methods. Firstly, by modulating the pulse signal of the armature voltage during
the operation of the DC motor, the on-line measurement of the motor speed is realized. Secondly, a self made
sensor is used to detect the electromagnetic signals outside the motor shell, so as to realize the non-contact
measurement of the DC motor speed. The device consists of power module, electromagnetic induction module,
SCM control module, brush motor control module, display module, etc. A series of Experiments have proved
that the device can realize DC motor speed measuring with high accuracy and good stability.
Key words:
DC motors; online speed detecting; electromagnetic induction; coupling; sensors; SCM
0
引
言
电子设计大赛赛题要求，针对两种情况进行电机
½速的测试方法设计：
一是以电动机电枢供电回路串接采样电阻的
方式实现对小型直流有刷电动机的½速测量；
二是
以自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式实
现对小型直流有刷电动机的非接触式½速测量。
一般情况下，在电机½½上安装磁钢并通过
霍尔感应，
可实现对电机的½速测试。
½在很多情
况下，
½½不便于安装传感器，
如½实现电机的½
速测量，
值得探究。本文基于
2017
年全½大学生
收稿日期
：
2017-09-20
½者简介
：
宋玉锋
1973
—
） 男，
（
， 江苏南通人，
高级工程师，
南通职业大学电子专业指导委员会委员，
外聘教师，
江苏现代电
力科技股½有限公司总工程师，
主要研究方向为电力、
电子控制技术。
67
南 通 职 业 大 学 学 报
2017
年
1
1.1
技术方案的分析比较
单片机的选择
5V
电源
单
晶振
片
机
液晶
按键
电机电流脉冲
信号调理
电机磁场
信号调理
电阻
可调电源
+ -
电机
方案一：
采用
TI
公司
MSP430F149
单片机进
行控制。
（ ）
MSP430F149
单片机是美½德州仪器
TI
的一种
16
½超½功耗、具有精简指令集
RISC
（
）
的混合信号处理器，
½在
25 MHz
晶½的驱动下，
实现
40 ns
的指令周期。功½强大， 口资源丰
I/O
富，
½编程麻烦。
方案二：采用
STC
系列单片机做主控芯片，
该芯片运用广泛，
价格便宜，
可靠性高，
编程方便，
抗干扰性强，
特别适合简单控制
I/O
口资源丰富，
系统的应用。
鉴于上述分析，
本设计采用方案二。
1.2
自制传感器方案选择
感应线圈
图
1
拓扑结构
本系统由包括单片机、
液晶、
按键、
晶振组成
的单片机系统，
采样电阻，
电机电流脉冲信号调理
电路，
电机磁场信号调理电路及电源等组成。
2.1
单片机系统设计
该直流电动机测速装½以单片机
STC15W4K48S4
为核心，外接键盘和
12864
液晶
进行人机交互和参数显示，
如图
2
所示，
为了提高
测量精度，
特选用外部晶振做系统时钟
[ 1 ]
。
2.2
电机电流脉冲信号调理电路
方案一：
采用霍尔传感器加外接放大整½电
路实现传感，
½由于感应磁场比较弱，
很难得到明
显的感应信号。
方案二：
采用自制耦合线圈外接放大整½电路
实现传感，
由于线圈对磁感应比较灵敏，
采用示波器
测量有明显的脉冲信号。
通过对该信号进行滤波、
整
½等调理，
可以得出比较稳定的方波。综上分析，
选
择自制耦合线圈外接放大整½电路实现传感。
根据大赛题的基本要求，要以电动机电枢供
电回路串接采样电阻的方式实现对小型直流有刷
电动机的½速测量。
为此，
本文采用
0.1
Ω
电阻进
行电流采样，通过对采样电阻的电压脉冲进行信
号调理得到方波，
再输入到单片机的定时器
/
计数
器口进行处理。
图
3
中， 接采样电阻两端，采样电阻可以
X1
通过
20
个
2
Ω
精密电阻进行并联得到
0.1
Ω
，
以
2
硬件设计
根据设计要求，
采用拓扑结构如图
1
所示。
+5
J3
VSS
VCC
V0
RS
RW
E
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
PSB
NC
RESET
VOUT
A
K
CON4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
R
2
10 kΩ J2
10 kΩ
RS
RW
E
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
U1
STC15W4K48S4
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
P4.1
P4.2
C4
30 pF
Y1
11.0592 MHz
C3 30 pF
P1.3
P1.4
P1.5
S1
S2
S3
S4
P1.3
J1
P1.4
P1.5
P5.5
TTL
+5
S1
47
μF
0.1
μF
C2
C1
P5.5
PWM3_2/ALE/P4.5
P0.0/AD0/RX3
PWM2_2/A15/P2.7
P0.1/AD1/TX3
CCP1_3/A14/P2.6
P0.2/AD2/RX4
CCP0_3/A13/P2.5
P0.3/AD3/TX4
PWMFLT/SS_2/ECI_3/A12/P2.4
P0.4/AD4/T3CLKO
PWM5/MOSI_2/A11/P2.3
P0.5/AD5/T3/PWMFLT_2
PWM4/MISO_2/A10/P2.2
P0.6/AD6/T4CLKO/PWM7_2
PWM3/SCLK_2/A9/P2.1
P0.7/AD7/T4/PWM6_2
RSTOUT_LOW/A8/P2.0
P1.0/ADC0/CCP1/RXD2
PWM4_2/RD/P4.4
P1.1/ADC1/CCP0/TXD2
PWM5_2/WR/P4.2
P1.2/ADC2/SS/ECI/CMP0
MISO3/P4.1
P1.3/ADC3/MOSI
P1.4/ADC4/MISO
PWM2/TXD_2/INT3/P3.7
CCP1_2/RXD_2/INT2/P3.6
P1.5/ADC5/SCLK
CCP0_2/T0CLKO/T1/P3.5
P1.6/ADC6/RXD_3/XTAL2/PWM6
P1.7/ADC7/TXD_3/XTAL1/PWM7
ECI_2/T1CLKO/T0/P3.4
RST/SysCLKO/SS_3/CMP-
INT1/P3.3
VCC
INT0/P3.2
P5.5/CMP+
I2/TXD/P3.1
GND
T2/CLKO/INT4/RXD/P3.0
P4.2
P4.1
E
RW
RS
图
2
单片机系统
68
第
3
期
宋玉锋， 直流电动机测速装½的设计——
等：
—基于
2017
年全½大学生电子设计竞赛项目
+5 V
R
4
100
R
5
8
1 kΩ
3
X1
1
2
输入
C
1
1
μF
R
2
2 kΩ
R
1
20 kΩ
R
3
2 kΩ
C
2
1nF
4
2
C
3
51nF
R
8
1 kΩ
R
7
1 kΩ
X2
1
2
输出
R
6
200 kΩ
+
-
U1A
LM393
1
-5 V
图
3
电流信号接口电路
提高功率。在信号调理电路中，
1
和
R
1
组成的微
C
分电路，
隔直通交；
2
和
C
2
组成滤波电路，
滤除高
R
频分量。
R
6
和
R
4
组成电压回差；输出电压通过
C
3
、
5
在
R
4
上½成微分波½，½成对输入噪声时
R
间上的阻隔。关键点的波½如图
4
、、
所示。
5 6
图
5
LM393 3
脚波½
图
4
电阻采样的输入波½
2.3
电机磁场信号感应及调理电路设计
图
6
输出波½
根据大赛题发挥部分的要求，以自制传感器
检测电动机壳外电磁信号的方式实现对小型直流
有刷电动机的½速测量，设计了如图
7
所示的磁
+5 V
J1
1
2
5 V
电源输入
R
2
1 kΩ
R
4
240
R
3
200 kΩ
C
3
1 nF
场信号感应及调理电路，精确地实现对电机½速
的非接触式测量
[ 2 ]
。
R
5
100 kΩ
R
6
1 kΩ
+
-
4
U1A
LM393
1
R
7
1 kΩ
X3
1
2
3
CON3
+5 V
Fout
GND
C
6
51 nF 3
2
C
2
+
100
μF
L1
空心线圈
200
匝
R
1
1 kΩ
图
7
电磁场信号感应及调理电路
8
69
南 通 职 业 大 学 学 报
2017
年
图
7
中，
自绕空心线圈为
200
匝，
经过
R
1
、
2
R
分压抬高工½点，
即抬高耦合波½的基准，
保证耦
合波½在
2.5 V
上下，
便于电路采用单电源工½。
耦合信号经过
R
3
送
U
1
（
LM393
比较器） 的
2
脚
（输入
-
端 ，
） 然后通过
R
4
、
5
、
6
、
6
组成的½络和
R R C
实现时间和幅度的回
R
1
、
2
分压信号进行比较，
R
差，
从而滤掉杂波，
得到稳定的脉冲信号
Fout
。
该
脉冲信号与有刷电机的½速成正比，将该脉冲
信号
Fout
与单片机的定时计数口连接，通过单
片机中断采集到脉冲信号频率，可计算出测量
速度。
本电路中，测试的自绕空心线圈的感应波½
如图
8
所示，
输出波½如图
9
所示。
开始
系统初始化
显示主界面
测速模式选择
MT
法测频
计算½速
显示
图
10
主程序流程
MT
法测频
配½定时器、
中断
启动定时器
1 1 s
（ ）
图
8
线圈感应波½
启动定时器
2
（尾数
）
第一次 中 断 记 ½ 尾 数
1
定时器，
重启尾数定时器
1 s
到？
有脉冲中断？
图
9
脉冲信号输出
脉冲计数，
重启尾数定时器
3
系统½件设计
系统主程序流程如图
10
所示。首先，
对单片
机系统进行定时器初始化。
然后，
通过按键进行测
试模式选择后，
采用
MT
法进行测频处理
[ 3 ]
，
并计
算½速后进行显示。
其中， 法测频流程如图
11
MT
所示。
记½尾数
计算频率
返回
4
4.1
系统测试分析
系统测试性½指标
图
11
MT
法测频流程
进行对比，
得到½速测试结果如表
1
所示，
其中测
量误差均在
0.3 %
以下。
通过对高精度非接触式½速仪和本测速装½
70
第
3
期
宋玉锋， 直流电动机测速装½的设计——
等：
—基于
2017
年全½大学生电子设计竞赛项目
表
1
½速性½测试结果
r / min
最大
误差
/ %
599
702
830
945
3 003
5 001
6 003
0.16
0.28
0.12
0.21
0.10
0.06
0.05
容，
所测得的波½有毛刺出现，
经调整后测试成功。
比赛中，
电机选择很关键，
为便于速度显示
本
稳定，
要选择½速平稳的电机。实际应用表明，
装½具有较高的精度，
½按电机的实际½速进行
测量。
调试结果表明，本装½完全满足大赛设计要
求，
装½可不改变有刷电机的外½及结构，
通过磁
感应的方式实现½速测量，为电机速度的测量提
供了一种新方法，
具有一定的市场前景。
参考文献
：
人民邮电出版社，
[1]
束慧
.
单片机应用与实践教程
[M].
北京：
2014
：
64-110.
人民邮电出版社，
[2]
曾令琴
.
电路分析基础
[M].
北京：
2004
：
109-
120.
张伟峰
.
改进的
M/T
法在电机测速中的应用
[J].
½工机
[3]
袁鹏程，
械，
2012
， （
1
：
30
）
59-62.
序号
1
2
3
4
5
6
7
高精度非接触式
½速仪
600
700
830
945
3 000
5 000
6 000
601
700
831
946
本装½
600
701
829
947
3 002 3 001
5 002 5 003
6 001 6 002
4.2
成效分析
在基本要求的设计中，串接电阻的大小会直
接½响电机的½速。为便于测量，
采用
1
Ω
电阻，
经测试发现对电机½速的½响很大。
为此，
将取样
电阻变为
0.1
Ω
，
再将电阻两端的电压放大
55
倍
后，
达到测试要求。
在发挥要求的设计中，
信号调理的电容、
电阻
选择很重要。开始调试时，图
7
中未加
C
6
滤波电
责任编辑
谭
华
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（
上接第
66
页
）
参考文献
：
[1]
全½大学生数学建模竞赛组委会
．2014
高教社杯全½大学生
）
数学建模竞赛
CUMCM
题目
B
题
[EB/OL]．[2014-09-12] http
：
（
//www.mcm.edu.cn/．
电子工业出版社，
[2]
郑贤中
. Matlab
图像处理宝典
[M].
北京：
2011.
清华大学
[3]
宋兆基
. Matlab
在科学计算中的应用
6.5[M].
北京：
出版社，
2005.
2009.
[4]
韩中庚
.
数学建模方法及其应用
[M].
北京
.
高等教育出版社，
高等教育出版社，
[5]
姜起源
.
数学模型
[M].2
版
.
北京：
1993.
孙玺菁
.
数学建模算法与应用
[M].
北京：
½防工业出版
[6]
司守奎，
社，
2013.
4
结束语
综合考虑折叠桌稳固度、便于加工等因素计
算其设计参数，
并在此基础上按照决策变量、
目标
½数、
限制条件、
模块构建了数学模型。在有新设
计要求时，
无须重新建立模型，
只需在已有模型基
础上适½增加约束条件、
修改目标½数，
即可求解
新条件下的规划方案，
½现了其可拓展性。
½建模
时未考虑桌腿数量对稳固度的½响、腿½度对加
工难易度的½响及钢筋½½变化对桌子张开难易
度的½响，
还有待进一步改进。
责任编辑
王晓丹
71
京公网安备 11010802033920号
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