单片机控制电机与工业自动化：探索工业应用，赋能智能制造

# 1. 单片机控制电机基础**

单片机控制电机是嵌入式系统中一项重要的技术，广泛应用于工业自动化、智能家居和机器人等领域。单片机作为控制核心，通过控制电机转速、方向和位置，实现对设备的精确控制。

本节将介绍单片机控制电机的基本原理，包括电机的类型、单片机的控制方式以及电机控制算法。通过对这些基础知识的掌握，读者可以为后续的电机控制实践打下坚实的基础。

# 2.1 电机控制算法与实现

### 2.1.1 PID控制原理

PID控制（比例积分微分控制）是一种经典的电机控制算法，它通过测量电机转速与目标转速之间的误差，并根据误差的比例、积分和微分值来调整电机驱动器的输出电压或电流，从而实现电机转速的稳定控制。

**PID控制原理框图：**

graph LR
subgraph PID
    A[误差] --> B[比例] --> C[输出]
    A --> D[积分] --> C
    A --> E[微分] --> C
end

**PID控制参数：**

- **比例系数（Kp）：**误差与输出电压或电流增量的比例关系。Kp越大，响应越快，但稳定性越差。
- **积分系数（Ki）：**误差的积分值与输出电压或电流增量的比例关系。Ki越大，稳态误差越小，但响应越慢。
- **微分系数（Kd）：**误差变化率与输出电压或电流增量的比例关系。Kd越大，动态响应越好，但容易产生振荡。

### 2.1.2 PWM调速技术

PWM调速技术（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制电机转速的方法。通过改变脉冲宽度，可以改变电机驱动器输出的平均电压，从而控制电机转速。

**PWM调速原理：**

- PWM信号是一个周期性方波，其占空比（脉冲宽度与周期之比）可以控制。
- 当占空比增大时，电机驱动器输出的平均电压增大，电机转速增大。
- 当占空比减小时，电机驱动器输出的平均电压减小，电机转速减小。

**PWM调速代码示例：**

#include <avr/io.h>

int main() {
    // 设置 PWM 输出引脚
    DDRB |= (1 << PB1);

    // 设置 PWM 定时器
    TCCR1A |= (1 << WGM10);
    TCCR1B |= (1 << WGM12) | (1 << CS10);

    // 设置 PWM 频率和占空比
    OCR1A = 100; // 占空比为 50%

    while (1) {
        // 改变占空比以控制电机转速
        OCR1A = ...;
    }

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

- **DDRB |= (1 << PB1);**：将 PB1 引脚设置为输出。
- **TCCR1A |= (1 << WGM10);**：设置 PWM 定时器为快速 PWM 模式。
- **TCCR1B |= (1 << WGM12) | (1 << CS10);**：设置 PWM 定时器为 8 位模式，并使用内部时钟源。
- **OCR1A = 100;**：设置 PWM 占空比为 50%。
- **OCR1A = ...;**：在循环中改变 OCR1A 的值以改变占空比，从而控制电机转速。

# 3. 工业自动化中的单片机应用

### 3.1 工业传感器与单片机接口

#### 3.1.1 传感器类型与选用

工业自动化系统中，传感器是获取生产过程数据的关键元件。根据不同的测量对象和测量原理，传感器类型繁多，常见的有：

- **温度传