单片机直流电机控制实战案例：5个DIY项目，打造智能家居电器

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目录

1. 单片机直流电机控制原理 2. 直流电机控制硬件电路设计 2.1 单片机与电机驱动芯片的选型 单片机选型 电机驱动芯片选型 2.2 电机驱动电路的搭建 2.3 电源电路的设计 3. 直流电机控制软件编程 3.1 PWM调速算法的实现 算法原理 算法实现 3.2 电机正反转控制 控制原理 控制实现 3.3 电机速度反馈与闭环控制 控制原理 控制实现 4. 单片机直流电机控制实践项目 4.1 智能风扇控制 4.1.1 温度传感器与单片机通信 4.1.2 风扇转速的实时调节 4.2 智能窗帘控制 4.2.1 光照传感器与单片机通信 4.2.2 窗帘开合的自动控制 5. 单片机直流电机控制应用展望 5.1 智能家居电器中的应用 5.2 工业自动化中的应用 5.3 机器人控制中的应用

1. 单片机直流电机控制原理

单片机直流电机控制是一种利用单片机对直流电机进行控制的技术。其原理是通过单片机输出PWM（脉宽调制）信号控制电机驱动芯片，从而控制直流电机的转速和方向。

PWM信号是一种周期性方波信号，其占空比（高电平时间与周期时间的比值）决定了电机转速。通过改变PWM信号的占空比，可以实现电机转速的无级调控。

单片机直流电机控制系统一般包括单片机、电机驱动芯片、直流电机和电源电路。单片机负责生成PWM信号并控制电机驱动芯片，电机驱动芯片负责放大单片机的PWM信号并驱动电机，直流电机负责将电能转换成机械能，电源电路负责为整个系统供电。

2. 直流电机控制硬件电路设计

2.1 单片机与电机驱动芯片的选型

单片机选型

单片机的选择需要考虑以下因素：

**性能要求：**电机控制对单片机的性能要求较高，需要选择具有足够时钟频率和计算能力的单片机。 **外设资源：**单片机需要具备足够的PWM、ADC、GPIO等外设资源，以满足电机控制的需求。 **成本：**单片机的成本也是需要考虑的因素，需要在性能和成本之间取得平衡。

根据这些因素，推荐使用具有以下特性的单片机：

时钟频率：>16MHz 内存：>16KB Flash，>4KB RAM 外设资源：至少4个PWM通道，1个ADC通道，多个GPIO引脚 电机驱动芯片选型

电机驱动芯片的选择需要考虑以下因素：

**电机类型：**需要选择与电机类型相匹配的驱动芯片，例如直流电机、步进电机、伺服电机等。 **电流容量：**驱动芯片的电流容量需要满足电机的最大电流要求。 **控制方式：**驱动芯片的控制方式可以是PWM控制、H桥控制等，需要根据单片机的控制方式选择合适的驱动芯片。

根据这些因素，推荐使用以下电机驱动芯片：

直流电机：L298N、TB6612FNG 步进电机：A4988、DRV8825 伺服电机：DRV8301、DRV8312

2.2 电机驱动电路的搭建

电机驱动电路的搭建需要考虑以下步骤：

**连接单片机与电机驱动芯片：**将单片机的PWM输出引脚连接到电机驱动芯片的控制引脚。 **连接电机：**将电机的正负极分别连接到电机驱动芯片的输出端。 **连接电源：**为电机驱动芯片和电机提供合适的电源。

2.3 电源电路的设计

电源电路的设计需要考虑以下因素：

**电源电压：**电源电压需要满足电机驱动芯片和电机的要求。 **电流容量：**电源电流容量需要满足电机驱动芯片和电机的最大电流要求。 **稳压：**电源需要稳定，以确保电机稳定运行。

电源电路通常包括以下部分：

**变压器：**将交流电转换为适合的电压。 **整流器：**将交流电转换为直流电。 **滤波器：**滤除直流电中的纹波。 **稳压器：**将直流电稳压到所需的电压。

电源电路的具体设计需要根据实际情况进行调整。

3. 直流电机控制软件编程

3.1 PWM调速算法的实现

脉宽调制（PWM）是一种广泛用于电机调速的算法。它通过改变施加在电机上的脉冲宽度来控制电机的速度。

算法原理

PWM算法的原理如下：

将一个周期划分为多个相等的时间段。 在每个时间段内，将脉冲施加到电机上。 通过改变脉冲的宽度（占空比），可以控制施加到电机上的平均电压。 平均电压的增加会导致电机速度的增加。 算法实现

在单片机中实现PWM调速算法需要以下步骤：

**设置PWM定时器：**配置定时器以产生所需频率的脉冲。 **设置PWM输出引脚：**将PWM定时器输出引脚连接到电机驱动芯片。 **设置占空比：**根据所需的电机速度，计算并设置PWM占空比。

// 设置PWM定时器TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 分频系数为72TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000 - 1; // 计数周期为1000TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStruct);// 设置PWM输出引脚TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM模式1TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500; // 脉冲宽度为500TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct);// 启动PWM定时器TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

3.2 电机正反转控制

电机正反转控制是通过改变电机两端的电压极性来实现的。

控制原理

电机正反转控制的原理如下：

当电机两端电压为正时，电机正转。 当电机两端电压为负时，电机反转。 控制实现

在单片机中实现电机正反转控制需要以下步骤：

**设置电机驱动芯片的正反转引脚：**将单片机IO引脚连接到电机驱动芯片的正反转引脚。 **控制正反转引脚的电平：**根据所需的电机转动方向，控制正反转引脚的电平。

// 设置电机驱动芯片的正反转引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12; // GPIO引脚12GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出模式GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速度50MHzGPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 控制正反转引脚的电平GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // 正转GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // 反转

3.3 电机速度反馈与闭环控制

电机速度反馈与闭环控制可以提高电机控制的精度和稳定性。

控制原理

电机速度反馈与闭环控制的原理如下：

使用传感器（如霍尔传感器、光电编码器）测量电机的实际速度。 将实际速度与目标速度进行比较，得到误差。 根据误差调整电机控制算法，以缩小误差。 控制实现

在单片机中实现电机速度反馈与闭环控制需要以下步骤：

**连接速度传感器：**将速度传感器连接到单片机。 **配置速度传感器接口：**配置单片机IO引脚和中断，用于接收速度传感器信号。 **读取速度传感器信号：**通过中断或轮询方式读取速度传感器信号，并计算电机的实际速度。 **计算误差：**将实际速度与目标速度进行比较，得到误差。 **调整控制算法：**根据误差调整PWM调速算法或正反转控制算法，以缩小误差。

// 配置速度传感器接口EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line13; // 外部中断线13EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; // 中断模式EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; // 上升沿触发EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);// 读取速度传感器信号void EXTI15_10_IRQHandler(void){ if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line13) != RESET) { // 读取速度传感器信号 uint16_t speed = ...; // 计算误差 int16_t error = speed - target_speed; // 调整控制算法 ... }}

4. 单片机直流电机控制实践项目

4.1 智能风扇控制

4.1.1 温度传感器与单片机通信

温度传感器选型：

**LM35：**线性温度传感器，输出电压与温度成正比。 **DS18B20：**数字温度传感器，通过1-Wire总线与单片机通信。

通信方式：

**模拟通信：**LM35输出模拟电压，通过单片机ADC进行转换。 **数字通信：**DS18B20通过1-Wire总线与单片机通信，单片机发送命令，传感器返回温度数据。

代码实现：

// LM35温度传感器模拟通信uint16_t read_LM35_temperature() { uint16_t adc_value = ADC_Read(ADC_CHANNEL_TEMPERATURE); float temperature = (float)adc_value * 5.0 / 4095.0 * 100.0; return (uint16_t)temperature;}// DS18B20温度传感器数字通信uint16_t read_DS18B20_temperature() { uint8_t data[2]; OneWire_ReadBytes(data, 2); float temperature = (float)((data[1] << 8) | data[0]) / 16.0; return (uint16_t)temperature;}

4.1.2 风扇转速的实时调节

PWM调速原理：

PWM（脉宽调制）通过改变脉冲宽度来控制输出电压的平均值。 脉冲宽度越宽，输出电压越高，风扇转速越快。

代码实现：

// PWM调速void set_fan_speed(uint16_t speed) { uint16_t duty_cycle = speed * 100 / 255; Timer_SetDutyCycle(TIMER_CHANNEL_FAN, duty_cycle);}

闭环控制：

温度传感器检测温度变化。 单片机根据温度变化调整风扇转速。 通过闭环控制，风扇转速与温度保持稳定。

4.2 智能窗帘控制

4.2.1 光照传感器与单片机通信

光照传感器选型：

**LDR：**光敏电阻，阻值随光照强度变化。 **BH1750：**数字光照传感器，通过I2C总线与单片机通信。

通信方式：

**模拟通信：**LDR输出模拟阻值，通过单片机ADC进行转换。 **数字通信：**BH1750通过I2C总线与单片机通信，单片机发送命令，传感器返回光照数据。

代码实现：

// LDR光照传感器模拟通信uint16_t read_LDR_light_intensity() { uint16_t adc_value = ADC_Read(ADC_CHANNEL_LIGHT); float light_intensity = (float)adc_value * 5.0 / 4095.0 * 100.0; return (uint16_t)light_intensity;}// BH1750光照传感器数字通信uint16_t read_BH1750_light_intensity() { uint8_t data[2]; I2C_ReadBytes(BH1750_ADDRESS, BH1750_REG_LIGHT_MSB, data, 2); uint16_t light_intensity = (uint16_t)((data[0] << 8) | data[1]); return light_intensity;}

4.2.2 窗帘开合的自动控制

继电器控制原理：

继电器是一种电磁开关，通过控制线圈通断来控制触点的开合。 单片机通过控制继电器线圈通断，实现窗帘的开合控制。

代码实现：

// 继电器控制窗帘开合void set_curtain_state(uint8_t state) { if (state == CURTAIN_OPEN) { GPIO_SetBits(GPIO_PORT_CURTAIN, GPIO_PIN_OPEN); GPIO_ResetBits(GPIO_PORT_CURTAIN, GPIO_PIN_CLOSE); } else if (state == CURTAIN_CLOSE) { GPIO_SetBits(GPIO_PORT_CURTAIN, GPIO_PIN_CLOSE); GPIO_ResetBits(GPIO_PORT_CURTAIN, GPIO_PIN_OPEN); }}

闭环控制：

光照传感器检测光照强度变化。 单片机根据光照强度变化调整窗帘开合状态。 通过闭环控制，窗帘开合状态与光照强度保持稳定。

5.1 智能家居电器中的应用

单片机直流电机控制技术在智能家居电器中有着广泛的应用前景。例如：

**智能风扇：**单片机可以根据温度传感器的反馈，自动调节风扇转速，实现舒适的室内环境。 **智能窗帘：**单片机可以根据光照传感器的反馈，自动控制窗帘的开合，实现节能和采光优化。 **智能扫地机器人：**单片机可以控制扫地机器人的电机，实现自主导航、避障和清扫功能。

5.2 工业自动化中的应用

在工业自动化领域，单片机直流电机控制技术也发挥着重要的作用。例如：

**生产线控制：**单片机可以控制生产线上的电机，实现物料输送、机械手臂操作和产品组装等自动化任务。 **过程控制：**单片机可以控制泵、阀门和管道中的电机，实现液体或气体的流量、压力和温度的自动调节。 **机器人控制：**单片机可以控制机器人的电机，实现复杂动作的执行和自主操作。

5.3 机器人控制中的应用

在机器人控制领域，单片机直流电机控制技术至关重要。例如：

**移动机器人：**单片机可以控制移动机器人的电机，实现自主导航、避障和路径规划。 **工业机器人：**单片机可以控制工业机器人的电机，实现高精度的操作和复杂的动作控制。 **医疗机器人：**单片机可以控制医疗机器人的电机，实现手术辅助、康复治疗和远程医疗等功能。

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