51单片机（十五）直流电机驱动（PWM）

本节主要介绍学习直流电机驱动（PWM）的相关知识，包括直流电机驱动（PWM）介绍、本节目标等；并利用两个小实验来写程序进行练习，分别是**LED呼吸灯**以及 **直流电机调速**，最后附上相关代码。

乘凉~

2495人浏览 · 2023-05-14 22:43:47

乘凉~ · 2023-05-14 22:43:47 发布

❤️ 专栏简介：本专栏记录了从零学习单片机的过程，其中包括51单片机和STM32单片机两部分；建议先学习51单片机，其是STM32等高级单片机的基础；这样再学习STM32时才能融会贯通。
☀️ 专栏适用人群：适用于想要从零基础开始学习入门单片机，且有一定C语言基础的的童鞋。
🌙专栏目标：实现从零基础入门51单片机和STM32单片机，力求在玩好单片机的同时，能够了解一些计算机的基本概念，了解电路及其元器件的基本理论等。

⭐️ 专栏主要内容：主要学习51单片机的功能、各个模块、单片机的外设、驱动等，最终玩好单片机和单片机的外设，全程手敲代码，实现我们所要实现的功能。
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本节主要介绍学习直流电机驱动（PWM）的相关知识，包括直流电机驱动（PWM）介绍、本节目标等；并利用两个小实验来写程序进行练习，分别是LED呼吸灯以及 直流电机调速，最后附上相关代码。

一、直流电机驱动（PWM）和本节目标

1.1 直流电机驱动（PWM）基础知识

直流电机介绍

在这里插入图片描述
本节我们主要学习的是直流电机，当然除了直流电机外还有很多其他种类的电机，比如步进电机、舵机、无刷电机、空心杯电机灯；

步进电机的结构中，外壳一整圈都分布着磁铁，中间有个转子，转子也是永磁体；通过对不同角度的磁铁进行通电，从而产生不同方向的磁力，改变转子的角度，最终吸引转子朝着特定的方向转动；其好处就是，转子转动的速度，完全是由我们代码写入的通电时间决定的；

舵机可以输出固定的角度；常用与小车的转向电机；

无刷电机一般在四轴飞行器中会用到；其转速非常快，适合为飞机起飞提供强劲的动力；功率比较大，动力比较足；

电机驱动电路

在这里插入图片描述
电机对于单片机来说也是一种功率比较大的负载；如果将电机直接接在单片机的i/o口上，肯定是驱动不了的；而且有可能会损坏单片机的i/o口；所以我们需要在电机和i/o口之间加入驱动电路；

常见的驱动电路由两种，分别是大功率器件直接驱动和H桥驱动；

大功率器件直接驱动方式的特点是，它只能驱动电机朝着一个方向转动；因为这种电路不具备调换电机正反方向的功能；

H桥驱动方式是电机驱动里面非常有名的一种驱动方式；这种方式可以控制电机正反转；所以如果我们需要驱动电机正反转，那么就选H桥驱动电路；

在这里插入图片描述
大功率器件直接驱动方式跟三极管开关差不多，图中的Q1 PNP三极管要求选择一个功率比较大的器件；常见的达林顿管或mos管；

当IN输入低电平时，Q1三极管就会导通，电流就会由上往下（上图中）流动；D1二极管是用来保护电路的，称为续流二极管；正常驱动时，电流由上往下流动时，经过B1，就会驱动B1电机进行旋转；

续流二极管的作用是：因为电机是感性负载元件，所以在驱动时就要留意其感性值（电感值）；即当电路正常通电，电机正常运转一段时间，突然断电后，由于电感的特性，在断电的瞬间，电感会产生很大的电压，如果不加续流二极管，则电感产生的电压有反向击穿三极管的风险；加了续流二极管后，电感和续流二极管则会连通形成回路，消耗电机在断电瞬间产生的电压，直到消耗完；

下面是H桥驱动：
在这里插入图片描述
因为整天的形状像是H，所以这个电路被称为H桥；

在这里插入图片描述

如果使Q1和Q4两个三极管导通，而Q3和Q2两个三极管断开，那么电流就是从左上角流向右下角，如上图所示，这样电机就会朝着一个方向转动；如果反过来，Q3和Q2两个三极管导通，Q1和Q4两个三极管断开，则电流就是从右上角流向左下角，如下图所示，这样电机就会朝着另一个方向转动；通过这种方式控制电机的正反转，因为电流方向既可以向右又可以向左；

在这里插入图片描述
在H桥驱动中，因为电流可以正方向也可以反方向，所以没办法加续流二极管，所以就要求四个三极管具有很强的耐压特性，以保证能够扛得住电感在断电瞬间感应出来的高电压；

下面介绍电机调速的相关知识

在这里插入图片描述
PWM通俗解释：

第一种情况，可以先让电机通电转1ms，然后将其断开5ms，此时，断电后电机由于惯性还在转，只是速度会缓慢下降；下降5ms后，继续通电，又加速转了1ms，然后又断开，用惯性减速5ms；这样反复进行，电机通电增长的速度远小于断电后下降的速度，最终电机则会以一个比较缓慢的速度在运行；

第二种情况，让电机通电转5ms，然后将其断开1ms，此时断电后电机由于惯性还在转，只是速度会缓慢下降；下降1ms后，继续通电，又加速转了5ms，然后又断开，用惯性减速1ms；这样反复进行，电机通电增长的速度远小于断电后下降的速度，电机则会以一个比较快速的速度在运行，电机的转速会远大于第一种情况；

第三种情况，让电机通电转5ms，然后将其断开5ms，此时断电后电机由于惯性还在转，只是速度会缓慢下降；下降5ms后，继续通电，又加速转了5ms，然后又断开，用惯性减速5ms；这样反复进行，电机通电增长的速度基本等于断电后下降的速度，电机则会以一个比中间的的速度在运行，比第一种情况速度大，比第二种情况的速度小；

总结一下就是，转的时间比较短，停的时间比较长，那么速度就比较低；反之，转的时间比较长，停的时间比较短，则转速比较高；

当然这里只是举个例子，具体在应用中设置多长时间通电和多长时间断电，就是下面要学习的PWM，脉冲宽度调制；

PWM经常用于这种存在惯性的场景，比如LED，断电后不会立马灭，而是有余晖慢慢变灭；比如电机，断电后不会立马停止转动，而是由于惯性慢慢的减速；在这些具有惯性的场景中，PWM还是有很好的应用效果的；

PWM的参数包括：
频率：对于电机来说，就是断电和通电的次数，如果频率比较高，则电机转动的比较平滑；反之如果频率比较低，则电机转动的会有抖动；

占空比：占空比就是打开的时间比上一个周期的总时间；

精度：精度就是占空比的变化步距；

学习完PWM，就可以猜到电机调速的大致思想就是，不断的给电机高电平->低电平->高电平->低电平->高电平->低电平->高电平->低电平->高电平.........;通过控制频率就能控制电机的速度；

1.2 本节目标

目标1：LED呼吸灯

如下图所示，第一个LED灯以呼吸灯的形式进行亮灭

在这里插入图片描述
目标2：直流电机调速

将直流电机插在开发板上，按键K1、K2、K3可以对直流电机进行调速；

当按下K1时，1级速度速，如下图：
在这里插入图片描述

当按下K2时，2级速度速，如下图：

在这里插入图片描述

当按下K3时，3级速度速，如下图：

在这里插入图片描述

二、LED呼吸灯

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\15-1 LED呼吸灯

具体代码：

#include <REGX52.H>

sbit LED=P2^0;

void Delay(unsigned int t)
{
	while(t--);
}

void main()
{
	unsigned char Time,i;
	while(1)
	{
		for(Time=0;Time<100;Time++)		//改变亮灭时间，由暗到亮
		{
			for(i=0;i<20;i++)			//计次延时
			{
				LED=0;					//LED亮
				Delay(Time);			//延时Time
				LED=1;					//LED灭
				Delay(100-Time);		//延时100-Time
			}
		}
		for(Time=100;Time>0;Time--)		//改变亮灭时间，由亮到暗
		{
			for(i=0;i<20;i++)			//计次延时
			{
				LED=0;					//LED亮
				Delay(Time);			//延时Time
				LED=1;					//LED灭
				Delay(100-Time);		//延时100-Time
			}
		}
	}
}

二、直流电机调速

在这里插入图片描述
以下代码就是参考上图的思想写出来的，通过控制“比较值”的大小，控制输出波形，从而控制电机转速。

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\15-2 直流电机调速

具体代码：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "Key.h"
#include "Nixie.h"
#include "Timer0.h"

sbit Motor=P1^0;

unsigned char Counter,Compare;	//计数值和比较值，用于输出PWM
unsigned char KeyNum,Speed;

void main()
{
	Timer0_Init();
	while(1)
	{
		KeyNum=Key();
		if(KeyNum==1)
		{
			Speed++;
			Speed%=4;
			if(Speed==0){Compare=0;}	//设置比较值，改变PWM占空比
			if(Speed==1){Compare=50;}
			if(Speed==2){Compare=75;}
			if(Speed==3){Compare=100;}
		}
		Nixie(1,Speed);
	}
}

void Timer0_Routine() interrupt 1
{
	TL0 = 0x9C;		//设置定时初值
	TH0 = 0xFF;		//设置定时初值
	Counter++;
	Counter%=100;	//计数值变化范围限制在0~99
	if(Counter<Compare)	//计数值小于比较值
	{
		Motor=1;		//输出1
	}
	else				//计数值大于比较值
	{
		Motor=0;		//输出0
	}
}