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

# 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：

1. **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。
2. **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。
3. **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：

1. **设置PWM定时器：**配置定时器以产生所需频率的脉冲。
2. **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。
3. **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72
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000 - 1; // 计数周期为1000
TIM_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1
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500; // 脉冲宽度为500
TIM_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：

1. **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。
2. **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12
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速度50MHz
GPIO_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：

1. **连接速度传感器：**将速度传感器连接到单片机。
2. **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。
3. **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。
4. **计算误差：**将实际速度与目标速度进行比较，得到误差。
5. **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13
EXTI_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. 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

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。