代码收藏家技术教程 2025-01-23

单片机：实现使用PWM驱动电机转动（附带源码）

单片机：实现使用PWM驱动电机转动

1. 项目背景与目标

脉宽调制（PWM）是一种通过改变信号的占空比来控制功率的技术，广泛应用于控制电机、LED亮度、音频信号生成等领域。PWM信号的占空比（即高电平持续的时间与周期时间之比）决定了输出功率的大小。在电机控制中，PWM可以用来控制电机的转速和方向。

本项目的目标是通过单片机使用PWM信号来驱动直流电机的转动。通过调整PWM信号的占空比，来实现对电机转速的调节，从而控制电机的运行。

2. 硬件设计

2.1 硬件组件

单片机：使用STM32系列单片机（如STM32F103）或8051系列单片机（如AT89C51），根据具体需求选择。
直流电机：普通直流电机，可以是小型电动机，常用于实验和小型项目中。
电机驱动模块：如L298N或L293D，它们是常见的用于控制直流电机的H桥驱动模块。可以通过控制输入端的PWM信号来调节电机的转速。
外部电源：为电机提供稳定的电源，通常与单片机的电源分开。电机驱动模块需要的电压可能会大于单片机工作电压（如电机驱动模块使用12V，单片机使用5V）。
电位器（可选）：用于模拟调节PWM信号的占空比，进而控制电机的转速。
显示设备（可选）：如LCD显示器，用来显示当前PWM占空比或者电机转速。

2.2 硬件连接

单片机PWM输出端口（如STM32的TIM1或TIM2模块）通过GPIO口输出PWM信号，连接到电机驱动模块的输入端。
电机驱动模块的输出端连接到电机的正负极。
电源管理：为电机驱动模块和电机提供单独的电源，同时保证单片机的电源稳定。

3. 软件设计

3.1 PWM信号原理

PWM信号通过调节高电平持续时间和低电平持续时间的比例（即占空比）来控制输出功率。当占空比为100%时，信号始终为高电平，电机处于最大速度；当占空比为0%时，信号始终为低电平，电机不转动；占空比介于0%和100%之间时，电机的转速与占空比成正比。

3.2 控制电机转动

占空比调节：通过单片机的PWM模块，设置一个定时器来输出不同占空比的PWM信号，从而控制电机的转速。
电机方向控制：使用H桥电路（如L298N）控制电机的转动方向。可以通过设置PWM信号的两个输入端，来改变电机的转动方向（正转或反转）。

3.3 程序设计思路

初始化PWM输出：配置单片机的定时器（如STM32的TIM2）产生PWM信号。
PWM占空比调节：通过调节PWM的占空比来控制电机的转速。可以使用外部电位器来调整占空比，或者通过串口命令来动态调整。
电机方向控制：通过改变H桥驱动模块的输入信号来控制电机的转动方向。
显示与调试：将当前PWM占空比和电机状态（如转速、方向）通过串口或LCD显示出来，方便调试。

3.4 代码实现

以下是基于STM32单片机的PWM驱动电机转动的程序实现，使用STM32的定时器（如TIM2）产生PWM信号来控制电机转速，同时使用L298N电机驱动模块来控制电机方向

#include "stm32f4xx_hal.h"

// PWM输出引脚
#define MOTOR_PWM_PIN    GPIO_PIN_6  // 假设PWM输出连接到PA6
#define MOTOR_PWM_PORT   GPIOA

// 电机方向控制引脚
#define MOTOR_DIR_PIN1   GPIO_PIN_7  // 假设方向控制连接到PA7
#define MOTOR_DIR_PIN2   GPIO_PIN_8  // 假设方向控制连接到PA8
#define MOTOR_DIR_PORT   GPIOA

// 定义PWM占空比的初始值
#define PWM_MAX          1000    // 最大占空比
#define PWM_MIN          0       // 最小占空比

// 全局变量
TIM_HandleTypeDef htim2;  // 定时器2，用于PWM产生
int pwm_value = 500;       // 初始占空比（50%）

// 初始化PWM输出
void PWM_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();   // 使能GPIOA时钟
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();    // 使能TIM2时钟

    // 配置GPIOA6为PWM输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = MOTOR_PWM_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;  // 推挽复用
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(MOTOR_PWM_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // 配置TIM2作为PWM输出
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;    // 预分频器设置为1us
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = PWM_MAX - 1;  // PWM频率1kHz
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    // 配置PWM通道
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = pwm_value;   // 初始占空比
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

    // 启动PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

// 控制电机的方向
void Motor_Direction(int direction) {
    if (direction == 1) {  // 顺时针
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
    } else if (direction == -1) {  // 逆时针
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN2, GPIO_PIN_SET);
    } else {  // 停止
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_DIR_PORT, MOTOR_DIR_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

// 调节PWM占空比
void Set_PWM_DutyCycle(int dutyCycle) {
    if (dutyCycle < PWM_MIN) {
        dutyCycle = PWM_MIN;
    } else if (dutyCycle > PWM_MAX) {
        dutyCycle = PWM_MAX;
    }
    pwm_value = dutyCycle;  // 更新占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pwm_value);  // 更新PWM占空比
}

// 主程序
int main(void) {
    HAL_Init();
    PWM_Init();  // 初始化PWM

    // 设置电机顺时针转动
    Motor_Direction(1);

    // 循环调节PWM占空比，控制电机转速
    while (1) {
        for (int i = PWM_MIN; i <= PWM_MAX; i += 10) {
            Set_PWM_DutyCycle(i);  // 增加占空比
            HAL_Delay(100);  // 延时100ms
        }
        for (int i = PWM_MAX; i >= PWM_MIN; i -= 10) {
            Set_PWM_DutyCycle(i);  // 减少占空比
            HAL_Delay(100);  // 延时100ms
        }
    }
}