CN105572411A - 基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器及控制方法 - Google Patents

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    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
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    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets

Abstract

本发明公开了一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器及控制方法，测速器包括单片机系统，霍尔传感器模块、滤波电路和磁性码盘，所述霍尔传感器模块包括用于检测转速信号的第一霍尔传感器和用于检测干扰信号的第二霍尔传感器，所述单片机系统采取有两个中断输入接口的Arduino？UNO系统，分别连接第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述滤波电路一端与Arduino？UNO系统连接，另一端与霍尔传感器模块连接。本发明采取差分方法处理振动和电磁带来的强干扰，第一霍尔传感器负责测量实时的转速，第二霍尔传感器负责测量所带来的干扰信号，利用差分函数处理第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所测得的数据，得出准确的转速数据。

Description

基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器及控制方法
技术领域
本发明涉及机电控制领域，特别涉及一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器及控制方法，适用于高转速电机和汽油机等具有强干扰信号的发动机或者其他设备的实时转速测量。
背景技术
大负荷作业时动力机的转速会随着负载的不同而变化，通过测量转速的实时变化就能反映出负荷的大小，常用的方法是要将测速信号转化成单片机可以识别的脉冲，进行脉冲计数从而获取转速的实时数据。霍尔器件结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便，常用作检测脉冲信号。当旋转部位转动时，带动高磁探头运动，经过固定安装的霍尔器件时，霍尔传感器就能产生特定频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。
传统的利用霍尔传感器测速装置的磁场是采用单个高磁探头作为感应源，测量过程中由于感应角度过大将会出现转速反馈盲区，使测得的数据不能如实反映实际转速。高转速汽油机等工作时会产生强烈电磁干扰和振动干扰，对霍尔传感器和测试电路产生信号干扰，作业时很难消除，导致测得的数据出现较大的误差，不能如实反映转速。
中国专利(专利号为CN201120569563)公开了一种霍尔传感器测速装置，另一份中国专利(专利号为CN201410807143)公开了一种基于单片机的电机实时转速宽范围精确测速方法，前者与现有技术相比，设计了专用于发动机测速的霍尔传感器测速装置，使发动机轮轴的转速、线速度、加速度和车辆运行方向的检测得到实现；后者能直接测量实时转速并且解决了低转速状态出现反馈盲区问题。但两者还存在一些缺点：
1、前者使用单个磁钢，测量过程中由于感应角度过大将会出现反馈盲区，使测得的数据不能如实反映实际转速。
2、两者均没有针对强干扰的影响进行研究，当受到强烈电磁干扰和振动干扰时，会对测速器所测得的数据造成误差影响。
文献检索结果表明，能实现对高转速、强干扰的发动机准确测得其实时数据的测速器设计未见报道；本测速器使用两个霍尔传感器同时测量电机转速信号和干扰信号，再利用差分函数处理两个数据，有效消除了干扰信号。磁性码盘较为简单，便于推广，能有效避免反馈盲区的出现，提高了测速的准确性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器及控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，包括单片机系统，霍尔传感器模块、滤波电路和磁性码盘，所述霍尔传感器模块包括用于检测转速信号的第一霍尔传感器和用于检测干扰信号的第二霍尔传感器，所述单片机系统采取有两个中断输入接口的ArduinoUNO系统，分别连接第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述滤波电路一端与ArduinoUNO系统连接，另一端与霍尔传感器模块连接。
作为优选的技术方案，所述ArduinoUNO系统的两个中断输入接口，同时接入信号检测线和噪声检测线，并获得中断信号，记录设定时间段内的中断数，并通过串口输出转速数据。
作为优选的技术方案，所述滤波电路包括采取低通RC滤波电路，由电阻和电容并联组成，滤波电路桥接霍尔传感器模块与ArduinoUNO单片机系统。
作为优选的技术方案，所述第一霍尔传感器的探测端与磁性码盘相平行，所述第二霍尔传感器的探测端则与磁性码盘相垂直。
作为优选的技术方案，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器采取差分方法处理振动、电磁带来的强干扰，所述第一霍尔传感器负责测量实时的转速，所述第二霍尔传感器负责测量强干扰信号，利用差分函数处理第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所测得的数据，得出准确的转速数据。
作为优选的技术方案，所述磁性码盘为多个高磁磁钢均匀分布的圆周码盘。
本发明还提供了一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器的控制方法，包括下述步骤：
(1)起动发动机，在PC端打开串口监视，同时向单片机系统提供稳定的电源，测速器开始工作，假定在磁性码盘上安装n个高磁探头，当发动机转动一周时，通过霍尔传感器采集到n个脉冲信号；
(2)传感器每获取到一个脉冲信号即对单片机提供一次计数中断，每n次中断代表发动机转动一周；
(3)第一步差分：根据两个霍尔传感器分别测得的叠加数据和干扰数据，对两者进行作差得到发动机工作时的实验转速数据；
(4)第二步差分：根据第一步差分得到的试验数据，得到试验数据的变化趋势的理想测量曲线，当有随机误差叠加在输入点时将会偏离理想测量曲线的走向趋势，应用一阶差分法对该误差数据进行处理，使之符合理想测量曲线的走势，以此消除随机误差。
作为优选的技术方案，在发动机启动之前，把霍尔传感器的探测端以一定的速度经过高磁磁钢，观察串口端是否有数据并判断是否正常工作。
作为优选的技术方案，在步骤(3)中，所述叠加数据包括转速脉冲计数加干扰脉冲计数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采取差分方法处理振动和电磁带来的强干扰，第一霍尔传感器负责测量实时的转速，第二霍尔传感器负责测量所带来的干扰信号，利用差分函数处理第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所测得的数据，得出准确的转速数据。
2、本发明多个高磁磁钢固定在发动机的转轴上，同时令每个高磁磁钢间隔的角度相同，形成一个圆周磁性码盘，通过增加一个圆周上的磁钢数量，缩小感应角，从而避免反馈盲区的出现，提高测量的精确性。
附图说明
图1本测速器的构造框图；
图2本测速器应用在打穴机上的三维图；
图3测速器电路图；
图中附图标记为：1：系统单片机；2：滤波电路；3:霍尔传感器模块；4:磁性码盘。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图3所示，本实施例一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，包括单片机系统1，滤波电路2、霍尔传感器模块3和磁性码盘4，所述霍尔传感器模块包括用于检测转速信号的第一霍尔传感器和用于检测干扰信号的第二霍尔传感器，所述单片机系统采取有两个中断输入接口的ArduinoUNO系统，分别连接第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述滤波电路一端与ArduinoUNO系统连接，另一端与霍尔传感器模块连接。在霍尔传感器与单片机之间还连接有滤波电路，利用滤波电路去除高频信号，可使单片机获得良好稳定的信号，能提高测速的稳定性和精确性。
所述ArduinoUNO系统的两个中断输入接口，同时接入信号检测线和噪声检测线，并获得中断信号，记录设定时间段内的中断数，并通过串口输出转速数据。
所述滤波电路采取低通RC滤波电路，由电阻和电容并联组成，滤波电路桥接霍尔传感器模块与ArduinoUNO单片机系统。
所述第一霍尔传感器的探测端与磁性码盘相平行，所述第二霍尔传感器的探测端则与磁性码盘相垂直。本实施例中所述的霍尔传感器型号为S49E型，固定在与磁性码盘间隔为2-3cm处。在发动机的转轴上安装具有高磁磁钢的磁性码盘与S49E型霍尔传感器相配合，在霍尔传感器与单片机之间还连接有滤波电路，利用滤波电路去除高频信号，可使单片机获得良好稳定的信号，能提高测速的稳定性和精确性。
所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器采取差分方法处理振动、电磁带来的强干扰，所述第一霍尔传感器负责测量实时的转速，所述第二霍尔传感器负责测量强干扰信号，利用差分函数处理第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所测得的数据，得出准确的转速数据。
所述磁性码盘为多个高磁磁钢均匀分布的圆周码盘，通过增加一个圆周上的磁钢数量，缩小感应角，从而避免反馈盲区的出现，提高测量的精确性。
本实施例的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器的控制方法，包括下述步骤：
在发动机启动之前，把霍尔传感器的探测端以一定的速度经过高磁磁钢，观察串口端是否有数据并判断是否正常工作。起动发动机，假定在磁性码盘上安装n个高磁探头，当发动机转动一周时，通过霍尔传感器采集到n个脉冲信号，传感器每获取到一个脉冲信号即对单片机提供一次计数中断，每n次中断代表发动机转动一周，设每0.1s采集一次数据k，发动机的单位时间的转速可算得：10k/n(r/s)，从而达到实时监测发动机转速的作用。两个传感器测得的数据利用差分法进行抵消处理，获得准确的数据。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，包括单片机系统，霍尔传感器模块、滤波电路和磁性码盘，其特征在于，所述霍尔传感器模块包括用于检测转速信号的第一霍尔传感器和用于检测干扰信号的第二霍尔传感器，所述单片机系统采取有两个中断输入接口的ArduinoUNO系统，分别连接第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述滤波电路一端与ArduinoUNO系统连接，另一端与霍尔传感器模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，其特征在于，所述ArduinoUNO系统的两个中断输入接口，同时接入信号检测线和噪声检测线，并获得中断信号，记录设定时间段内的中断数，并通过串口输出转速数据。
3.根据权利要求1所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，其特征在于，所述滤波电路包括采取低通RC滤波电路，由电阻和电容并联组成，滤波电路桥接霍尔传感器模块与ArduinoUNO单片机系统。
4.根据权利要求1所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，其特征在于，所述第一霍尔传感器的探测端与磁性码盘相平行，所述第二霍尔传感器的探测端则与磁性码盘相垂直。
5.根据权利要求4所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，其特征在于，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器采取差分方法处理振动、电磁带来的强干扰，所述第一霍尔传感器负责测量实时的转速，所述第二霍尔传感器负责测量强干扰信号，利用差分函数处理第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所测得的数据，得出准确的转速数据。
6.根据权利要求1所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器，其特征在于，所述磁性码盘为多个高磁磁钢均匀分布的圆周码盘。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)起动发动机，在PC端打开串口监视，同时向单片机系统提供稳定的电源，测速器开始工作，假定在磁性码盘上安装n个高磁探头，当发动机转动一周时，通过霍尔传感器采集到n个脉冲信号；
(2)传感器每获取到一个脉冲信号即对单片机提供一次计数中断，每n次中断代表发动机转动一周；
(3)第一步差分：根据两个霍尔传感器分别测得的叠加数据和干扰数据，对两者进行作差得到发动机工作时的实验转速数据；
(4)第二步差分：根据第一步差分得到的试验数据，得到试验数据的变化趋势的理想测量曲线，当有随机误差叠加在输入点时将会使偏离理想测量曲线的走向趋势，应用一阶差分法对该误差数据进行处理，使之符合理想测量曲线的走势，以此消除随机误差。
8.根据权利要求7所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器的控制方法，其特征在于，在发动机启动之前，把霍尔传感器的探测端以一定的速度经过一个高磁磁钢，观察串口端是否有数据并判断是否正常工作。
9.根据权利要求7所述的基于Arduino的差分式抗强干扰实时测速器的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述叠加数据包括转速脉冲计数加干扰脉冲计数。
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