单片机|stm32+HAL库制作转速仪单片机|嵌入式|stm32|传感器

stm32+HAL库制作转速仪前言电机在运行过程中，需要实时检测其转速的稳定性，有效反映电机的运行情况。
本文介绍了基于stm32的转速仪的设计，可以用光电门传感器和红外对管传感器测量，可以设置选择传感器、计数方式，可以显示测量结果。描述总体设计方案、器件选型，各模块原理分析、软件设计思路与过程。制作测试仪并从精度、稳定性等角度对其进行测试。测试得转速仪可以正常稳定工作，有结构简单、便携、易于操作等优点，适用于小型直流电机的转速测量。
本文展示用cubeMX+MDK制作一个红外测温枪的过程。
下载工程
关注公众号小电动车,回复"转速仪"获取工程文件及其他资料，建议结合keil工程阅读本文。

文章图片

效果
文章图片
{#fig:转速仪}
总体方案设计方案红外循迹模块与光耦测速模块分别实现远距测速与近程测速功能，测量小风扇时，每当有扇叶通过，模块输出一个脉冲，用stm32的计数器接收脉冲并计数，同时开启定时器进行一秒定时，则KaTeX parse error: Undefined control sequence: \mbox at position 1: \?m?b?o?x?{转速}=\frac{\mbo…
用stm32的adc与终端输入检测摇杆XYZ的输入，摇杆的Y向为切换扇叶数，范围为1 9，摇杆的X方向为切换红外测速（远距测速）和光电门测速（近程测速）。
stm32通过SPI与OLED通讯，显示屏显示转速、扇叶数和测速模式，按下摇杆的Z方向为切换OLED显示方向，同时用数码管辅助显示转速。

文章图片
{#fig:总体方案框图}
供电模块采用两节18650电池供电，经过降压稳压模块得到系统工作电压3.3V。

文章图片
{#fig:供电模块}
主控使用stm32f103c8t6最小系统板，处理速度数据、执行摇杆指令和控制显示模块。

文章图片
{#fig:最小系统板}
测速模块使用红外循迹模块实现远程测速。

文章图片
{#fig:红外循迹模块}
使用光电门模块实现近程测速。

文章图片
{#fig:槽型光耦传感器}
控制模块使用双轴按键摇杆传感器模块，实现控制计数方式、切换传感器与显示屏翻转。

文章图片
{#fig:双轴按键摇杆传感器}
显示模块 【单片机|stm32+HAL库制作转速仪】使用0.96寸OLED显示转速、计数方式和当前传感器。

文章图片
{#fig:0.96寸OLED显示屏模块}
控制模块使用四位数码管显示转速，由于测试设备转速有限，只启用两位，剩余两位备用。

文章图片
{#fig:数码管}
组装使用面包板作为载体，结合杜邦线、铜柱等固定所有模块，完成一个手持仪器。

文章图片

测试设备使用两节18650电池供电，经过电源模块得到8V、5V、3.3V。
使用三个开关分别接三个电压，另一边接直流减速电机，模拟三个档位。
使用直流减速电机驱动三扇叶小风扇，作为直接被测目标。

文章图片
{#fig:手持测试仪}

文章图片
{#fig:手持测试仪}

文章图片
{#fig:手持测试仪}
硬件设计电源模块 AMS1117芯片
AMS1117是一个正向低压降稳压器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的，在1A电流下压降为1.2V。有AMS1117固定输出版本和可调版本，固定输出电压1.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.0V,3.3V,5.0V,具有1%的精度，固定输出电压为1.2V的精度为2%，典型电路如图3.1。

文章图片
{#fig:AMS1117典型电路}
AMS1117典型电路
选用AMS1117-33芯片，将18650电池的8V电压转化为系统工作电压3V3

文章图片
{#fig:电源模块原理图}
PCB绘制
根据原理图3.2，使用Altium Designer 2019绘制PCB板

文章图片
{#fig:PCB板三维模型}
测速模块红外循迹模块
红外对射计数传感器TCRT5000可用于电度表脉冲数据检测、传真机碎纸机纸张检测、障碍检测、黑白线检测。
其特性为：检测反射距离在1mm～25mm之间，输出形式为数字开关量输出（0和1）。TCRT5000型传感器的红外线发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来其强度足够大，红外接收管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮。

文章图片
{#fig:红外循迹模块电路图}
对射光电传感器
对射光电传感器广泛应用于电机转速检测，脉冲记数，位置限位等。
其特点是模块槽中无遮挡时，接收管道通，模块DO输出低电平；遮挡时，DO输出高电平；DO输出接口可以与单片机IO口直接相连，检测传感器是否有遮挡，如用电机码盘则可以检测电机的转速；模块DO可以与继电器相连，组成限位开关等功能。

文章图片
{#fig:光电门模块电路图}
控制模块双轴按键传感器
两路模拟量输出，一路数字量输出
Y轴输出为两个电位器，可以通过AD转换读出扭动角度向下按摇杆，可以出动一路轻触开关，为数字输出，已上拉适用于两自由度舵机云台控制或者其他遥控比例控制。
使用双轴按键摇杆传感器模块，实现控制计数方式、切换传感器与显示屏翻转。
软件设计总体方案单片机选用stm32f103c8t6，开发平台为STM32CubeMX和Keil
MDK，使用HAL库开发。系统主频为72MHz。
开启stm32的定时器提供标准时间，计数器接收传感器脉冲，ADC接收摇杆XY控制信号，外部中断接收摇杆Z信号，硬件SPI与OLED通信，使用12个GPIO驱动数码管，USART留作调试接口。

文章图片
{#fig:stm32资源使用情况}
红外循迹模块与光耦测速模块分别实现远距测速与近程测速功能，测量小风扇时，每当有扇叶通过，模块输出一个脉冲，用stm32的计数器接收脉冲并计数，同时开启定时器进行一秒定时，则。KaTeX parse error: Undefined control sequence: \mbox at position 1: \?m?b?o?x?{转速}=\frac{\mbo…
用stm32的adc与终端输入检测摇杆XYZ的输入，摇杆的Y向为切换扇叶数，范围为1 9，摇杆的X方向为切换红外测速（远距测速）和光电门测速（近程测速）。
stm32通过SPI与OLED通讯，显示屏显示转速、扇叶数和测速模式，按下摇杆的Z方向为切换OLED显示方向，同时用数码管辅助显示转速。

文章图片
{#fig:程序流程图}
定时器/计数器开启stm32的定时器TIM3作为秒表，内部时钟输入。
stm32主频设置为72MHz。

文章图片
{#fig:stm32时钟树}
设置TIM3分频数为7199，计数周期为9999，则计数频率
f = 72 , 000 , 000 H z ( 7199 + 1 ) ( 9999 + 1 ) = 1 H z f=\frac{72,000,000Hz}{(7199+1)(9999+1)}=1Hz f=(7199+1)(9999+1)72,000,000Hz?=1Hz
即每秒定时一次，同时开启中断，则每秒钟单片机会进入一次中断。

文章图片

文章图片

开启stm32计数器TIM1、TIM2接收测速传感器的脉冲，输入方式为外部脉冲，同时开启最大滤波以排除干扰。

文章图片

文章图片

则每当进入秒表中断时，读取计数器寄存器的值，并将该值与上一秒计数器的值作差（第一次时上一秒为0），得到的差即为计数值，该值除以叶片数（由摇杆Y方向控制，初始值为3）得到秒转速，该值可以提供给OLED显示。最后将当前计数器值保存为上一秒计数器值，以便下次调用。
定时器的中断回调函数放在文件counter.c中，程序如下

uint16_t CountThis, CountLast, CountDis; //定义计数器的值、上一秒计数器的值、转速 extern uint8_t Leaves, ModuleFlag; //定义叶片数、传感器标志 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)//定时器中断回调函数 { if(ModuleFlag == 0){//采集红外传感器脉冲 CountThis = htim2.Instance->CNT; } else{//采集光电门传感器脉冲 CountThis = htim1.Instance->CNT; } CountDis = (CountThis - CountLast)/Leaves; //计算转速 //printf("\t%d r/s\r\n",CountDis); OLED_ShowNum(48,0,CountDis,3,16); //OLED显示刷新 OLED_Refresh(); CountLast = CountThis; //将此次计数器值保存为上一秒计数值 }

ADC 开启stm32的两个ADC采集摇杆模块的XY控制信号。由于当前ADC采集范围为0 3.3V，采集精度为12位。

文章图片
{#fig:stm32ADC参数配置}
故摇杆模块供电VCC=3.3V，则当当X或Y轴不偏时，VRX/VRY管脚电压为1.65V；X/Y轴正方向偏到最大时，VRX/VRY管脚电压为3.3V；X/Y轴负方向偏到最大时，VRX/VRY管脚电压为0V。此时用ADC管脚接收，读取ADC寄存器可分别得数值2000、4096、0即代表不偏、正偏最大、反偏。
由三个值可判断摇杆的控制信号，设定当Y轴正偏一次，叶片数+1，反偏一次，叶片数-1；当X轴正偏或反偏则切换两个传感器。
ADC的采集放在main函数的while中，以5ms/次的频率扫描，程序如下：

while (1) { Dis_2Num(CountDis); //数码管显示 HAL_Delay(5); //每5ms进行一次采集 HAL_ADC_Start(&hadc1); //开启adc1 VRX = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); //采集adc1的值 HAL_ADC_Start(&hadc2); //开启adc2 VRY = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); //采集adc2的值 if(VRY > 3500){//当VRY>3500，认为Y轴正偏一次 adc_Flag ++; HAL_Delay(10); if(adc_Flag == 2){ if(Leaves<9)Leaves ++; //叶片数+1 OLED_ShowNum(56,16,Leaves,1,16); //叶片数显示刷新 OLED_Refresh(); adc_Flag = 0; HAL_Delay(400); //增加延时避免一次识别为多次 } } else if(VRY < 500){//当VRY<500，认为Y轴正偏一次 adc_Flag ++; HAL_Delay(10); if(adc_Flag == 2){ if(Leaves>1)Leaves --; //叶片数-1 OLED_ShowNum(56,16,Leaves,1,16); //叶片数显示刷新 OLED_Refresh(); adc_Flag = 0; HAL_Delay(400); //增加延时避免一次识别为多次 } } if((VRX > 3500)||(VRX < 500)){//当VRX<500||VRX>3500，认为X轴偏一次 mol_Flag ++; HAL_Delay(10); if(mol_Flag == 2){ if(ModuleFlag == 0){//当前传感器为红外传感器时 ModuleFlag = 1; //切换为光电门传感器 OLED_ShowChinese(32, 48, 8, 16); //显示刷新 OLED_ShowChinese(48, 48, 9, 16); } else{//当前传感器为光电门传感器时 ModuleFlag = 0; //切换为红外传感器 OLED_ShowChinese(32, 48, 4, 16); //显示刷新 OLED_ShowChinese(48, 48, 5, 16); } mol_Flag = 0; HAL_Delay(400); //增加延时避免一次识别为多次 } } }

外部中断在遥感模块VCC=3.3V，SW管脚接上拉电阻前提下，当Z不按下时SW管脚为3.3V，当Z按下时SW管脚为0V。
故开启管脚PA3的外部中断输入模式，接上拉电阻，检测上升沿，即可判断Z是否按下。

文章图片
{#fig:TIM3配置}

extern uint8_t TurnFlag; void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)//中断回调函数 { if(GPIO_Pin == KEY_Z_Pin)//判断PA3接收到中断 { if(TurnFlag == 1)TurnFlag = 0; else TurnFlag = 1; OLED_DisplayTurn(TurnFlag); //反转屏幕指令 HAL_Delay(100); } }

SPI 开启stm32的spi控制OLED屏幕，调用HAL库SPI函数和现成OLED库函数可以控制OLED显示中文、数字、字幕。

文章图片
{#fig:0.96寸OLED显示内容}
直接调用的上层函数有：

OLED_Init(); //OLED初始化 OLED_Clear(); //清除显示内容 OLED_DisplayTurn(TurnFlag); //显示方向设置 OLED_ShowChinese(0, 0, 0, 16); //显示中文 OLED_Printf(80, 0, "r/s", 16); //显示字母 OLED_ShowNum(56,16,Leaves,1,16); //显示数字 OLED_Refresh(); //显示刷新

数码管由数码管的原理，由于本次显示内容少，显示要求低，stm32主频较高，故采用循环显示的方式。
由于stm32GPIO口的推挽输出模式可以提供足够大的电流，使LED有较高亮度，故本次不需要放大，直接在LED的阳极接推挽输出高电平，在LED的阴极接推挽输出低电平，配合控制代码可以显示数字。
开启stm32的十二个GPIO的推挽输出模式，其中八个作为阳极显示数字，四个作为阴极选择显示位置。

文章图片
{#fig:数码管相关GPIO配置情况}
显示单个数字函数如下：（显示位置1，数字1，其余同理省略）

void Dis_Num(uint8_t DIG, uint8_t NUM) { switch(DIG) { case 1: HAL_GPIO_WritePin(DIG1_GPIO_Port,DIG1_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(DIG2_GPIO_Port,DIG2_Pin,GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(DIG3_GPIO_Port,DIG3_Pin,GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(DIG4_GPIO_Port,DIG4_Pin,GPIO_PIN_SET); break; …… } switch(NUM) { case 1: HAL_GPIO_WritePin(A_GPIO_Port,A_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(B_GPIO_Port,B_Pin,GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(C_GPIO_Port,C_Pin,GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(D_GPIO_Port,D_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(E_GPIO_Port,E_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(F_GPIO_Port,F_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(G_GPIO_Port,G_Pin,GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(DP_GPIO_Port,DP_Pin,GPIO_PIN_RESET); break; …… } }

显示两个数字可通过除和取余提取个位与十位实现，函数如下：

uint8_t NumFlag = 0; //个位与十位显示顺序标志，交换顺序使两位显示时长对称 void Dis_2Num(uint8_t Number) { uint8_t Decade,Uint; Decade = Number/10; //除法取十位 Uint = Number%10; //取余取个位 if(NumFlag == 0){ Dis_Num(2,Decade); //显示十位 Dis_Num(3,Uint); //显示个位 NumFlag = 1; } else{ Dis_Num(3,Uint); Dis_Num(2,Decade); NumFlag = 0; } }