本設計是基于 51 單片機的電機測速與顯示系統(tǒng)，主要方案是利用 STC 公司推出的8051內(nèi)核單片機作為系統(tǒng)的控制單元，用單片機內(nèi)部的定時器功能生成 PWM 信號，對電機進行調(diào)速控制;用 PCA 模塊進行電機轉(zhuǎn)速的反饋。電機采用直流電機，轉(zhuǎn)速反饋用霍爾傳感器，當電機旋轉(zhuǎn)后，根據(jù)霍爾效應，霍爾傳感器會根據(jù)轉(zhuǎn)速線性輸出脈沖，用單片機進行脈沖捕獲，根據(jù)恒定時間內(nèi)脈沖捕獲的數(shù)量得到電機的轉(zhuǎn)速信息，霍爾傳感器的 AB 相位差得到電機的轉(zhuǎn)向。電機的驅(qū)動與控制采用雙 H橋電路控制，系統(tǒng)的輸入電源是 12V 直流電，經(jīng)過開關型穩(wěn)壓器得到 5V 電，供給單片機與電機驅(qū)動芯片的邏輯參考電壓，當單片機向電機驅(qū)動輸出可變的 PWM 信號時，電機會根據(jù)當前的 PWM 信號進行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。經(jīng)過理論分析與實物的制作，電機轉(zhuǎn)速能夠按照目標設定值進行運轉(zhuǎn)，當電機負載發(fā)生變化時，電機也能根據(jù)擾動量變化實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小，不僅強化了微機與電路的設計知識，而且對動手能力也有很大的提升 。

主要研究內(nèi)容

進行系統(tǒng)建模。根據(jù)系統(tǒng)的物理模型，得到系統(tǒng)的微分方程，然后進行拉普拉斯變換，得到傳遞函數(shù)，將時域轉(zhuǎn)換成復數(shù)域然后分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入 PI 校正網(wǎng)絡，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)，使電機轉(zhuǎn)速和預設的靠近。當理論分析能夠?qū)崿F(xiàn)目標要求后，將傳遞函數(shù)進行 Z 變換，使其能夠在單片機這種的純離散系統(tǒng)中能正確實現(xiàn)[6]。

以 STC12C5A60S2 單片機作為控制單元，通過編寫 C 語言程序，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)進行 Z 變換，然后將修正后的 PID 計算公式讓單片機能夠正確反應，從而實現(xiàn)精準控制。

按照需求，設計電路原理圖，然后根據(jù)原理圖繪制 PCB。使系統(tǒng)能夠按照預期工作，從而實現(xiàn)目標功能。本設計針對電機測速與顯示系統(tǒng)實現(xiàn)，利用自動控制原理與微處理器應用技術(shù)相結(jié)合，完善自身的理論分析與動手能力，拓展眼界。

系統(tǒng)設計框圖如所示：

部分原理圖：

PCB截圖：

3D狀態(tài)下：

實物圖：