本設(shè)計(jì)是基于 51 單片機(jī)的電機(jī)測(cè)速與顯示系統(tǒng)，主要方案是利用 STC 公司推出的8051內(nèi)核單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器功能生成 PWM 信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制;用 PCA 模塊進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋。電機(jī)采用直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速反饋用霍爾傳感器，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾傳感器會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速線性輸出脈沖，用單片機(jī)進(jìn)行脈沖捕獲，根據(jù)恒定時(shí)間內(nèi)脈沖捕獲的數(shù)量得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，霍爾傳感器的 AB 相位差得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制采用雙 H橋電路控制，系統(tǒng)的輸入電源是 12V 直流電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器得到 5V 電，供給單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的邏輯參考電壓，當(dāng)單片機(jī)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出可變的 PWM 信號(hào)時(shí)，電機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的 PWM 信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)物的制作，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠按照目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)也能根據(jù)擾動(dòng)量變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小，不僅強(qiáng)化了微機(jī)與電路的設(shè)計(jì)知識(shí)，而且對(duì)動(dòng)手能力也有很大的提升 。

主要研究?jī)?nèi)容

進(jìn)行系統(tǒng)建模。根據(jù)系統(tǒng)的物理模型，得到系統(tǒng)的微分方程，然后進(jìn)行拉普拉斯變換，得到傳遞函數(shù)，將時(shí)域轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)域然后分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入 PI 校正網(wǎng)絡(luò)，改良系統(tǒng)的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制在一定的范圍內(nèi)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速和預(yù)設(shè)的靠近。當(dāng)理論分析能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)要求后，將傳遞函數(shù)進(jìn)行 Z 變換，使其能夠在單片機(jī)這種的純離散系統(tǒng)中能正確實(shí)現(xiàn)[6]。

以 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為控制單元，通過(guò)編寫(xiě) C 語(yǔ)言程序，配置內(nèi)部寄存器使其能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能。由于 STC12C5A60S2 屬于離散型控制器，需要將傳遞函數(shù)進(jìn)行 Z 變換，然后將修正后的 PID 計(jì)算公式讓單片機(jī)能夠正確反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

按照需求，設(shè)計(jì)電路原理圖，然后根據(jù)原理圖繪制 PCB。使系統(tǒng)能夠按照預(yù)期工作，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。本設(shè)計(jì)針對(duì)電機(jī)測(cè)速與顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，利用自動(dòng)控制原理與微處理器應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，完善自身的理論分析與動(dòng)手能力，拓展眼界。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如所示：

部分原理圖：

PCB截圖：

3D狀態(tài)下：

實(shí)物圖：