代码收藏家技术教程 2025-03-04

单片机：实现直流电机控制加减速正反转系统（附带源码）

单片机实现直流电机控制加减速正反转系统设计

1. 项目背景

直流电机（DC motor）在许多自动化控制系统中得到了广泛应用，特别是在机器人、电动工具、自动化生产线等领域。直流电机的控制通常需要控制电机的启动、停止、加速、减速以及正反转等特性。本项目通过 AT89C51 单片机实现一个直流电机控制系统，具备加减速、正反转的控制功能。该控制系统可用于调节直流电机的转速和方向，并通过调节占空比实现平滑的加减速控制。

2. 项目目标

本项目的目标是设计一个控制直流电机的系统，具备以下功能：

正反转控制：通过控制 H 桥电路的输入信号，实现电机的正转和反转。
加减速控制：通过调节 PWM（脉宽调制）信号的占空比来实现电机的加速和减速。
启动与停止控制：在不同的按键触发下启动、停止或改变电机的转向。
平稳过渡：通过平滑的加减速控制，避免电机因突然改变速度而受到损坏。

3. 系统设计概述

3.1 硬件设计

AT89C51 单片机：作为主控制单元，负责处理电机转速控制、方向控制、PWM 信号生成等。
H 桥驱动电路：控制电机的正反转，通过改变电机的电流方向来实现正反转控制。
PWM 产生电路：利用单片机的定时器生成 PWM 信号，用于控制电机的加减速。
按键输入：用于用户控制电机的正反转、启动、停止等操作。
电机驱动电路：根据单片机输出的控制信号驱动电机，控制电机的转动和速度。
电源：为单片机及电机驱动电路提供电力支持。

3.2 软件设计

PWM 信号生成：通过定时器生成 PWM 信号，用于控制电机的速度。
加减速控制：通过渐增或渐减 PWM 信号的占空比来实现电机的平滑加速和减速。
正反转控制：通过控制 H 桥电路的输入信号来改变电机的转动方向。
按键扫描：通过扫描按键矩阵来控制电机的启动、停止、正反转等功能。

4. 硬件连接

AT89C51 单片机：连接到电机驱动模块的控制端口。
H 桥电路：通过四个控制信号（例如 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）连接到 H 桥模块，用于控制电机的正反转。
PWM 输出端口：使用单片机的定时器控制 P2.0（或其他 GPIO 引脚）输出 PWM 信号，用于调节电机的转速。
按键输入：连接到 P3 端口，用于输入电机控制信号（启动、停止、加速、减速、正反转）。

5. C 语言实现代码

以下是基于 AT89C51 单片机实现直流电机控制加减速正反转系统的代码：

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

#define MOTOR_FWD P1_0  // 电机正转控制端口
#define MOTOR_REV P1_1  // 电机反转控制端口
#define PWM_PIN P2_0    // PWM 输出端口

#define BUTTON_START P3_0 // 启动按钮
#define BUTTON_STOP P3_1  // 停止按钮
#define BUTTON_FWD P3_2   // 正转按钮
#define BUTTON_REV P3_3   // 反转按钮
#define BUTTON_ACC P3_4   // 加速按钮
#define BUTTON_DEC P3_5   // 减速按钮

// 初始 PWM 占空比
unsigned char pwm_duty = 0;

// 延时函数（用于生成 PWM）
void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++);
    }
}

// PWM 生成函数：用于控制电机转速
void pwm_generate(unsigned char duty) {
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < 255; i++) {
        if (i < duty) {
            PWM_PIN = 1;  // 输出高电平，电机转动
        } else {
            PWM_PIN = 0;  // 输出低电平，电机停止
        }
        delay_ms(1);  // 延时，控制频率
    }
}

// 电机正转控制
void motor_forward() {
    MOTOR_FWD = 1;
    MOTOR_REV = 0;
}

// 电机反转控制
void motor_reverse() {
    MOTOR_FWD = 0;
    MOTOR_REV = 1;
}

// 电机停止控制
void motor_stop() {
    MOTOR_FWD = 0;
    MOTOR_REV = 0;
}

// 加速函数：增加 PWM 占空比
void accelerate() {
    if (pwm_duty < 255) {
        pwm_duty += 5;  // 每次增加 5
    }
    pwm_generate(pwm_duty);  // 根据新的占空比生成 PWM 信号
}

// 减速函数：减少 PWM 占空比
void decelerate() {
    if (pwm_duty > 0) {
        pwm_duty -= 5;  // 每次减少 5
    }
    pwm_generate(pwm_duty);  // 根据新的占空比生成 PWM 信号
}

// 主函数
void main() {
    // 初始化端口
    MOTOR_FWD = 0;
    MOTOR_REV = 0;
    PWM_PIN = 0;
    
    while (1) {
        if (BUTTON_START == 0) {  // 按下启动按钮
            pwm_generate(pwm_duty);  // 启动时根据当前占空比产生 PWM 信号
        }

        if (BUTTON_STOP == 0) {  // 按下停止按钮
            motor_stop();  // 停止电机
        }

        if (BUTTON_FWD == 0) {  // 按下正转按钮
            motor_forward();  // 电机正转
        }

        if (BUTTON_REV == 0) {  // 按下反转按钮
            motor_reverse();  // 电机反转
        }

        if (BUTTON_ACC == 0) {  // 按下加速按钮
            accelerate();  // 加速
        }

        if (BUTTON_DEC == 0) {  // 按下减速按钮
            decelerate();  // 减速
        }
    }
}

6. 代码解析

PWM 生成：
pwm_generate(unsigned char duty) 函数根据传入的占空比生成 PWM 信号。占空比越大，电机转速越高；占空比越小，电机转速越低。
占空比是通过改变定时器延时的时间来控制的，在每个周期内，高电平时间与低电平时间的比例决定了电机的转速。
电机正反转控制：
motor_forward() 函数控制电机正转，通过设置 MOTOR_FWD 引脚为高电平，MOTOR_REV 引脚为低电平来实现电流的方向控制。
motor_reverse() 函数控制电机反转，反转时正好是将 MOTOR_FWD 置为低电平，MOTOR_REV 置为高电平。
加减速控制：
accelerate() 函数逐渐增加 PWM 占空比，每次增加 5，直到最大占空比（255）。
decelerate() 函数逐渐减少 PWM 占空比，每次减少 5，直到最小占空比（0）。
按键输入控制：
通过扫描按键（如启动、停止、加速、减速、正转、反转）来控制电机的各项行为。按下不同的按钮时，系统会调用相应的函数来实现电机的转动、加速或减速等操作。