1. 为什么我要用A3144加LM393来做转速测量做电机控制的人迟早会碰到一个需求知道自己手头这个电机到底转多快。不管是调PID、做小车里程计、还是给绕线机做恒线速控制转速这个量绕不开。我最早用的是光电对管加遮光片便宜是便宜但车间里粉尘一大就废光路稍微偏一点波形就烂得没法看。后来换成霍尔方案一用就是好几年A3144这颗开关型霍尔加LM393比较器整形是我目前认为在低成本场景下最稳的组合。A3144是一颗三脚的单极开关霍尔传感器TO-92封装5V供电输出是数字量。它的内部结构其实不复杂霍尔片感应磁场经过斩波放大和施密特触发整形最后从开漏输出级拉出一个干净的方波。注意它是开漏输出也就是说它只能把输出拉到地拉高需要外部上拉电阻这一点后面接线的时候会专门讲。它的工作温度范围覆盖-40到85摄氏度对一般室内工况绰绰有余。LM393是双电压比较器这里用它的核心目的不是比较而是整形。A3144本身输出已经带施密特触发为什么还要再过一级LM393原因有两个一是长线传输时A3144的开漏输出边沿会被线缆电容拖慢二是当磁铁和传感器间隙偏大时A3144输出幅度可能不够陡直接送进单片机的外部中断引脚容易产生多次误触发。LM393加上正反馈构成迟滞比较器能把边沿重新修得干脆利落同时把阈值电压抬高到电源中点附近抗干扰能力明显提升。这套模块最终能干什么简单说电机轴上贴一块小磁钢传感器对着磁钢电机每转一圈传感器输出一个或多个脉冲单片机数脉冲频率就能算出转速。配合Arduino几十行代码就能把RPM显示出来。它适合做智能小车测速、风扇转速监测、自制绕线机计数、断丝检测这类场景成本不到十块钱精度做到±1%以内完全没问题。我写这篇东西的出发点很直接网上关于A3144和LM393的资料要么只讲原理不讲接线要么只给代码不讲为什么这么接。我把自己从画板子到调波形踩过的坑整理出来包括上拉电阻怎么选、迟滞电阻怎么算、磁铁怎么贴、代码里中断为什么要用FALLING而不是CHANGE尽量让第一次做的人少走弯路。2. A3144与LM393的配合逻辑从磁场到方波2.1 A3144开漏输出到底意味着什么很多人第一次用A3144会懵明明供电正常为什么输出引脚测不到高电平答案就在开漏两个字上。开漏输出的内部结构是一个N沟道MOS管源极接地漏极接输出脚。当磁场达到动作点时MOS管导通输出被拉到地是低电平磁场撤去后MOS管截止输出脚处于高阻态既不是高也不是低。这时候如果你不接上拉电阻万用表量出来就是浮空的乱值。所以A3144的输出脚和VCC之间必须接一个上拉电阻典型值4.7k到10k。这个电阻的作用是在MOS管截止时把输出拉到VCC。电阻选大了上升沿会变慢因为输出脚对地的寄生电容和电阻构成RC充电回路选小了MOS管导通时的灌电流会变大A3144的灌电流能力是25mA4.7k在5V下灌电流约1mA完全安全。我一般用10k兼顾功耗和边沿速度如果线缆超过半米我会降到4.7k甚至2.2k。这里有个容易忽略的点A3144是单极开关它只对某一个磁极通常是S极对着印字面响应。磁铁装反了传感器要么一直输出低要么一直输出高波形完全不动。我第一次做的时候磁铁装反盯着示波器看了半小时才反应过来。判断方法很简单拿磁铁靠近输出脚电压从高变低说明触发了如果一直不变就翻个面再试。2.2 LM393迟滞比较器是怎么把波形修干净的A3144输出经过上拉之后理论上已经是方波了但实际测下来边沿往往不够陡。原因在于上拉电阻和线缆电容。假设线缆电容100pF上拉10k时间常数就是1微秒从0到5V的上升时间大约2.2微秒。电机转速高的时候脉冲宽度可能只有几百微秒这个边沿占比就不容忽视了。更麻烦的是如果信号线上耦合了电机换向的火花噪声边沿上会叠加上下振荡单片机中断引脚会误判成多个脉冲。LM393在这里的角色就是重新判决。把A3144的输出接到LM393的反相输入端同相输入端接一个由两个电阻分压得到的参考电压输出端通过一个反馈电阻回到同相端就构成了迟滞比较器。迟滞的意思是上升沿的翻转阈值和下降沿的翻转阈值不一样中间有个回差带。噪声幅度只要小于回差就不会引起输出翻转。参考电压怎么定我一般取VCC的一半也就是2.5V。分压电阻用两个10k中间加一个0.1uF电容滤波防止电源波动影响阈值。反馈电阻的取值决定了回差大小。假设分压电阻是R1和R2各10k反馈电阻Rf从输出接到同相端那么回差电压大约等于VCC乘以R1并联R2再除以Rf。我通常取Rf为1M算下来回差大概几十毫伏足够滤掉一般的开关噪声又不会让占空比失真太多。LM393的输出同样是开漏结构所以输出脚也需要上拉电阻这个电阻直接接到单片机的IO口。注意LM393的输出上拉和A3144的输出上拉是两回事不要搞混。我见过有人把A3144的输出直接接LM393的输出两个开漏对顶结果谁也拉不高波形一直是低。正确的做法是A3144输出接LM393输入LM393输出接单片机每一级各自上拉。2.3 从脉冲到转速一圈一个脉冲还是多个转速测量的本质是频率测量。假设电机轴上贴了N块磁钢均匀分布那么电机每转一圈传感器输出N个脉冲。脉冲频率f和转速n转/分的关系是n f × 60 / N。如果只贴一块磁钢N1那么n f × 60也就是说频率1Hz对应60RPM。这里有个精度和响应速度的权衡。N越大同样转速下脉冲频率越高单片机在固定采样窗口内数到的脉冲越多量化误差越小。但N太大也有问题磁钢之间的间距变小A3144的感应面可能同时感受到相邻磁钢的磁场导致脉冲丢失或合并。我实测下来磁钢直径5mm、间距15mm以上时N取2到4比较稳妥。如果电机轴太细贴不下多块那就N1靠拉长采样窗口来保证精度。采样窗口怎么定假设N1电机最低转速60RPM那频率就是1Hz周期1秒。如果采样窗口取0.1秒低速时可能一个脉冲都数不到转速显示就是0。所以采样窗口至少要覆盖最低转速下的两个脉冲周期。我一般用0.5秒窗口配合定时器中断每0.5秒读一次计数器的值清零重新计。这样低速时也能测到高速时0.5秒内可能数到几百个脉冲精度足够。3. 完整电路搭建从原理图到洞洞板3.1 元件清单与选型理由先把东西备齐。核心元件就四样A3144霍尔传感器、LM393比较器、若干电阻电容、一块洞洞板或自己打的PCB。下面这张表是我常用的配置括号里是替代方案。元件规格数量说明A3144TO-921开关型霍尔单极响应LM393DIP-81双比较器用其中一路上拉电阻10k 1/4W2A3144输出和LM393输出各一个分压电阻10k 1/4W2产生2.5V参考电压反馈电阻1M 1/4W1设定迟滞回差滤波电容0.1uF2电源退耦和参考电压滤波电源5V1可从Arduino取电磁钢钕铁硼5mm1-4贴在电机轴上电阻全部用1/4W金属膜精度无所谓5%足够。电容用普通的瓷片电容就行0.1uF是标配。磁钢建议用钕铁硼磁场强感应距离可以拉到5mm以上对安装精度要求低。我试过用铁氧体磁钢感应距离只有2mm左右稍微偏心就丢脉冲不推荐。3.2 接线步骤与每一根线的意图接线之前先明确LM393的引脚定义DIP-8封装缺口朝上左下角是1脚。1脚是输出12脚是反相输入13脚是同相输入14脚接地5脚是同相输入26脚是反相输入27脚是输出28脚是VCC。我们只用第一路比较器也就是1、2、3脚。第一步给A3144接线。印字面朝自己引脚朝下从左到右依次是VCC、GND、OUT。VCC接5VGND接地OUT接一个10k上拉电阻到5V同时OUT接到LM393的2脚反相输入1。这一步的意图是让A3144的输出作为比较器的被检测信号。第二步给LM393搭参考电压。两个10k电阻串联在5V和地之间中间节点接LM393的3脚同相输入1同时在这个节点和地之间并一个0.1uF电容。这一步的意图是给比较器一个稳定的2.5V基准电容的作用是滤掉电源上的纹波防止阈值抖动。第三步加正反馈。在LM393的1脚输出1和3脚同相输入1之间接一个1M电阻。这一步是迟滞的核心输出高的时候会把同相端电压稍微抬高输出低的时候会稍微拉低形成回差。第四步LM393输出上拉。1脚接一个10k电阻到5V同时1脚接到Arduino的2号引脚外部中断0。这一步的意图是把开漏输出转换成推挽电平直接驱动单片机IO。第五步电源退耦。在LM393的8脚和4脚之间就近接一个0.1uF电容A3144的VCC和GND之间也接一个。这一步很多人省掉但电机一启动波形就乱十有八九是电源退耦没做好。注意A3144和LM393的电源必须共地否则比较器没有参考点输出会乱跳。我见过有人用两个独立电源分别供电结果波形完全不对查了半天才发现地没接一起。3.3 洞洞板布局的实战经验如果你用洞洞板布局比原理图更重要。我的习惯是把A3144的接线端子放在板子边缘方便引线到电机旁边LM393和电阻电容集中在板子中间电源和信号输出端子放在另一侧。这样信号流向清晰不容易接错。A3144到LM393的走线尽量短如果必须拉长用双绞线或者屏蔽线屏蔽层单端接地。我试过用普通杜邦线拉30厘米电机一转波形上全是毛刺换成双绞线后干净很多。LM393到Arduino的线可以稍长因为经过整形后信号已经比较硬了但也不要超过半米。还有一个细节A3144的感应面朝向。TO-92封装的感应面在印字面那一侧磁钢要对着印字面靠近。如果你把传感器平贴在板子上磁钢从板子背面靠近感应距离会大打折扣。我一般把A3144立起来焊感应面对着磁钢的运动轨迹这样灵敏度最高。4. Arduino端的代码与中断处理4.1 为什么用外部中断而不是轮询数脉冲有两种方式轮询和中断。轮询就是在loop里不断读引脚电平检测上升沿或下降沿。这种方式在低速时没问题但高速时如果loop里有其他耗时操作比如串口打印、LCD刷新就可能漏掉脉冲。我实测过loop里加一个Serial.println轮询在1000RPM以上就开始丢数。外部中断的好处是硬件在引脚电平变化时自动触发不占用主循环时间。Arduino Uno的2号和3号引脚支持外部中断我们接在2号引脚上对应中断号0。中断服务函数里只做一件事计数器加一。主循环里定时读取计数器算转速显示。这样即使主循环里有其他任务也不会丢脉冲。中断触发方式选FALLING还是RISING还是CHANGE这取决于你的信号极性。A3144在磁场触发时输出低经过LM393后如果接的是反相输入输出极性会反过来。我实测下来LM393输出在磁钢靠近时是下降沿所以用FALLING。用CHANGE的话上升沿和下降沿都触发计数会翻倍除非你故意要两倍频。我建议先用示波器或者串口打印看一下实际波形确认极性再定。4.2 中断服务函数的写法与防抖中断服务函数要短短到只做计数。下面是我常用的写法volatile unsigned int pulseCount 0; void countPulse() { pulseCount; } void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(2, INPUT_PULLUP); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), countPulse, FALLING); }注意pulseCount要加volatile关键字因为它在中断里被修改在主循环里被读取编译器如果不加volatile可能会优化掉导致读到的值一直是旧的。这个坑我踩过当时计数器死活不动查了半天才发现是volatile没加。防抖要不要做机械开关需要防抖但霍尔传感器输出的是干净的方波理论上不需要。但如果磁钢安装偏心或者电机振动导致磁钢和传感器间隙波动可能会在阈值附近产生多次翻转。LM393的迟滞已经能滤掉大部分如果还有问题可以在中断里加一个简单的时间判断如果两次中断间隔小于某个值就忽略。但这样会限制最高转速我一般不加靠硬件迟滞解决。4.3 转速计算与串口显示主循环里每500毫秒算一次转速。用millis()做非阻塞定时不要用delay()因为delay会阻塞其他任务。代码如下unsigned long lastTime 0; const unsigned long interval 500; const int magnets 1; void loop() { unsigned long now millis(); if (now - lastTime interval) { noInterrupts(); unsigned int count pulseCount; pulseCount 0; interrupts(); float freq count * 1000.0 / interval; float rpm freq * 60.0 / magnets; Serial.print(RPM: ); Serial.println(rpm); lastTime now; } }这里有个细节读取pulseCount之前要先关中断读完再开。因为pulseCount是16位的在8位单片机上手读需要两条指令如果读的时候正好来一个中断可能读到一半旧值一半新值结果完全错误。关中断的时间极短不影响脉冲计数。串口显示只是调试用实际产品里可以换成LCD或者OLED。如果要用LCD注意刷新频率不要太高否则会拖慢主循环。我一般每500毫秒刷新一次和转速计算同步。5. 实测中的坑与波形调试5.1 磁铁装反导致波形不动这是最常见的坑。A3144是单极开关只对S极或者N极看具体批次响应。磁铁装反了传感器要么一直输出高要么一直输出低示波器上看就是一条直线。判断方法拿磁铁慢慢靠近传感器同时用万用表量A3144输出脚对地电压。如果电压从高变低说明触发了如果一直不变翻个面再试。我建议在磁铁上做个标记比如用红色记号笔涂一面装的时候统一朝向。多块磁钢的话所有磁钢的朝向必须一致否则有的触发有的不触发脉冲数会乱。5.2 上拉电阻选大了边沿变缓前面说过上拉电阻和线缆电容构成RC回路。我做过对比实验上拉10k线缆30厘米上升时间约2微秒上拉4.7k上升时间约1微秒上拉2.2k上升时间约0.5微秒。电机转速3000RPM、N1时脉冲频率50Hz周期20毫秒2微秒的边沿占比0.01%完全没问题。但如果N4频率200Hz周期5毫秒边沿占比0.04%也还好。真正有问题的是高转速加多磁钢比如N4、转速10000RPM频率666Hz周期1.5毫秒2微秒边沿占比0.13%仍然可以接受。所以上拉电阻不是越小越好10k在大多数场景下够用。如果波形边沿实在太缓先检查线缆是不是太长再考虑降上拉电阻。降上拉电阻会增加功耗A3144导通时灌电流变大但25mA以内是安全的。5.3 电机噪声耦合进信号线电机换向时会产生火花火花是宽带噪声很容易耦合进信号线。表现是波形上叠加高频毛刺单片机中断误触发转速显示跳变。解决办法有三个一是信号线用双绞线二是LM393的迟滞回差加大三是在A3144输出和地之间并一个小电容比如1nF滤掉高频。我一般先加大迟滞把反馈电阻从1M降到470k回差翻倍。如果还不够再并电容。并电容要注意电容太大会把有用信号的边沿也滤掉1nF到10nF之间比较合适。我试过并100nF结果高速时脉冲幅度被削得只剩一半反而测不到。5.4 电源退耦没做好导致整体不稳电机和传感器共用5V电源时电机启动瞬间电流突增5V会被拉低A3144和LM393的工作点漂移输出乱跳。解决办法是在A3144和LM393的电源脚就近加0.1uF退耦电容如果电机电流大再并一个10uF电解电容。我还会在电机两端并一个0.1uF电容减少换向火花对电源的污染。如果条件允许传感器和电机分开供电共地但不共电源。这样最彻底但需要两路电源。一般场景下加退耦电容就够了。6. 从测速到应用这套模块还能怎么用6.1 智能小车里程计与PID调速智能小车做速度闭环时这套模块就是测速反馈。左右轮各装一套单片机读两路脉冲算左右轮转速和设定值比较PID输出PWM给电机驱动。我做过一版用N2的磁钢采样窗口100毫秒PID周期50毫秒小车走直线明显比开环稳。这里有个细节两路中断同时来的时候中断服务函数会排队执行如果两个函数都很短影响不大。但如果一个函数里做了浮点运算另一个中断会被延迟导致计数丢失。所以中断里只计数所有计算放到主循环。6.2 绕线机计数与断丝检测绕线机需要知道绕了多少圈这套模块直接数脉冲就行。N1时一个脉冲一圈计数器累加。断丝检测稍微复杂一点正常绕线时脉冲频率稳定断丝后电机空转脉冲频率会突变。可以在主循环里监测频率变化率超过阈值就报警。我做过一版断丝检测用滑动窗口算频率方差方差突然变大就触发。实际用下来灵敏度可以调到很高但要注意电机启停时频率本来就会变需要加一个启动延时等转速稳定后再开启检测。6.3 风扇转速监测与故障报警电脑风扇、工业风扇的转速监测也是类似原理。风扇电机内部通常有霍尔传感器但输出信号不一定标准。如果风扇没有自带测速线可以在扇叶上贴一块小磁钢用这套模块外挂测速。转速低于阈值就报警说明风扇堵转或者轴承磨损。这个场景下磁钢要贴得动平衡好否则风扇振动会加大。我一般用一小块钕铁硼用502胶水粘在扇叶根部尽量靠近转轴减少偏心。7. 几个容易被忽略的细节7.1 LM393没用到的另一路怎么处理LM393是双比较器我们只用了一路另一路的输入引脚不能悬空。悬空的话输入级可能自激振荡影响正在使用的那一路。正确做法是把没用到的同相和反相输入都接地输出悬空不管。或者把同相接地、反相接VCC输出接一个上拉电阻让它稳定输出低。我一般直接接地简单省事。7.2 传感器安装间隙与偏心容忍度A3144的感应距离和磁钢强度有关。5mm钕铁硼感应距离可以到8mm左右但为了保证波形干净我建议间隙控制在3到5mm。间隙太大磁场弱输出边沿变缓间隙太小电机振动时可能撞到传感器。偏心容忍度取决于磁钢大小和间隙。磁钢直径5mm间隙3mm时偏心1mm以内波形基本不变偏心2mm脉冲幅度开始下降偏心3mm以上可能丢脉冲。所以安装时尽量让磁钢的运动轨迹对准传感器中心。7.3 多磁钢的均匀性要求如果贴多块磁钢它们之间的角度间隔必须均匀。不均匀的话脉冲间隔忽长忽短算出来的转速是平均值但瞬时转速会有波动。对于PID调速这个波动会被当成噪声影响控制效果。我一般用分度头或者3D打印一个定位夹具保证磁钢均匀分布。7.4 代码里的数据类型与溢出pulseCount用unsigned int16位最大65535。如果采样窗口500毫秒最高转速对应频率65535/0.5131070Hz远远超过实际需求不会溢出。但如果采样窗口很长比如5秒高速时可能溢出。我一般用unsigned long32位彻底不用担心。计算转速时freq和rpm用float因为涉及除法。Arduino的float是32位精度足够。注意Serial.print默认打印两位小数如果不需要小数可以用Serial.print(rpm, 0)。8. 写在最后的一点个人体会这套A3144加LM393的方案我从最早的面包板搭到后来的PCB前后改了五六版。最大的感受是硬件调试的功夫在波形上不在代码上。代码再漂亮波形不干净中断照样误触发。所以如果你做出来发现转速跳变先别急着改代码拿示波器看波形十有八九是硬件问题。另一个体会是迟滞比较器的回差不是越大越好。回差太大低速时脉冲宽度会被压缩甚至丢失回差太小噪声滤不掉。我一般从1M反馈电阻开始试不行再调。这个值没有标准答案和你的电机噪声、线缆长度、磁钢强度都有关系只能实测。最后说一句这套模块的成本极低A3144几毛钱LM393几毛钱电阻电容加起来不到一块钱。但它的可靠性在低成本方案里算是顶尖的。如果你正在做电机相关的DIY项目需要测速又不想花大价钱买编码器这套方案值得一试。