51单片机基础-直流电机控制

第十三章 直流电机控制

1. 导入

在前几章中，我们学习了LED、数码管、蜂鸣器、按键等人机交互设备的控制。本章将引入直流电机（DC Motor），作为执行机构的重要代表，广泛应用于风扇、小车、机器人等系统中。

直流电机通过输入直流电压产生旋转运动，但51单片机I/O口输出电流有限，无法直接驱动电机。因此，需要通过驱动电路（如H桥、三极管）实现控制。

本章目标：

• 理解直流电机的工作原理；
• 掌握使用L298N驱动电机；
• 实现电机启停、正反转控制；
• 通过PWM调节电机速度（软件模拟）；
• 为后续智能小车、电机控制系统打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 直流电机特性

• 工作电压：3V ~ 12V（常见5V、6V、12V）；
• 转速与电压成正比；
• 转向与电压极性有关；
• 启动电流较大（可达1A以上），需外部驱动。

2.2 驱动方案选择

常用驱动芯片：

芯片	特点
L298N	双H桥，可驱动两个电机，最大2A，支持PWM调速
L9110	单通道H桥，驱动能力强，逻辑清晰
ULN2003	达林顿阵列，适合小功率电机
三极管（如TIP122）	简单电路，但仅支持单向控制

本章采用L298N模块，因其稳定、易用、支持正反转与PWM。

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2.3 L298N引脚说明

引脚	功能说明
VCC	电机电源输入（5~35V）
GND	公共地
5V	输出5V（当ENA、ENB接跳线时，可对外供电）
IN1, IN2	通道A输入控制（接单片机I/O）
IN3, IN4	通道B输入控制
ENA	通道A使能（接PWM或高电平）
ENB	通道B使能
OUT1, OUT2	接电机A
OUT3, OUT4	接电机B

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2.4 电路连接

单电机控制（使用通道A）：

L298N引脚	连接说明
IN1	→ P2.0（控制方向）
IN2	→ P2.1（控制方向）
ENA	→ P2.2（使能，接PWM）
OUT1, OUT2	接直流电机两端
VCC	接12V电源（或6V）
GND	与单片机共地
5V	不接（若外部供电）或接VCC（若需给单片机供电）

注意：L298N的逻辑电压与电机电压可分离，确保GND共地。

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3. 软件设计

3.1 控制逻辑（H桥原理）

IN1	IN2	ENA	电机状态
1	0	1	正转
0	1	1	反转
0	0	1	刹车（快速停止）
1	1	1	刹车
X	X	0	不转（使能关闭）

"X"表示任意状态。

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3.2 定义控制引脚

#include <reg52.h>

sbit IN1 = P2^0;
sbit IN2 = P2^1;
sbit ENA = P2^2;

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

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3.3 电机基本控制函数

// 电机停止
void motor_stop() {
    IN1 = 0;
    IN2 = 0;
    ENA = 1;  // 使能开启，但输入为0 → 刹车
}

// 电机正转
void motor_forward() {
    IN1 = 1;
    IN2 = 0;
    ENA = 1;
}

// 电机反转
void motor_backward() {
    IN1 = 0;
    IN2 = 1;
    ENA = 1;
}

// 电机关闭（使能关闭）
void motor_disable() {
    ENA = 0;
}

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3.4 主程序：正反转控制

void main() {
    while(1) {
        motor_forward();   // 正转3秒
        delay_ms(3000);

        motor_stop();      // 停止1秒
        delay_ms(1000);

        motor_backward();  // 反转3秒
        delay_ms(3000);

        motor_stop();
        delay_ms(1000);
    }
}

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3.5 软件模拟PWM调速

由于51单片机无硬件PWM（部分增强型有），可使用软件模拟。

// 软件PWM控制速度（占空比0~100）
void pwm_motor(unsigned char duty) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        if (i < duty) {
            ENA = 1;  // 高电平
        } else {
            ENA = 0;  // 低电平
        }
        delay_ms(1);  // 周期100ms，频率10Hz（可优化）
    }
}

注意：此方法占用CPU，建议在主循环中调用，避免影响其他功能。

使用示例：

void main() {
    IN1 = 1; IN2 = 0;  // 设定正转方向
    while(1) {
        pwm_motor(30);  // 30% 速度
        delay_ms(2000);
        pwm_motor(70);  // 70% 速度
        delay_ms(2000);
    }
}

实际中可通过按键调节duty值。

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3.6 结合按键控制电机

引入独立按键控制电机模式：

• K1：正转
• K2：反转
• K3：停止

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3.7 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确保L298N连接正确，电机电源独立；
• 编译生成HEX；
• 下载至单片机；
• 按下按键或运行程序，观察电机是否按预期转动。

若电机不转：

• 检查VCC供电是否正常；
• 确认GND共地；
• 测量IN1/IN2电平是否变化；
• 检查ENA是否开启。

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##4. 小结

本章通过控制直流电机，掌握了执行机构的基本驱动方法，主要内容包括：

• 硬件连接：学会使用L298N模块安全驱动电机；
• 控制逻辑：掌握H桥正反转、刹车、使能控制；
• 软件实现：编写启停、正反转函数；
• 速度调节：通过软件PWM模拟调速；
• 人机交互：结合按键实现手动控制。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
电机不转	电源未接、ENA为低	检查电机供电与使能信号
只能单向转	IN1/IN2逻辑错误	检查方向控制代码
发热严重	电流过大、散热不足	加散热片，避免堵转
PWM无效	占空比太低或周期过长	优化PWM频率（建议1~2kHz）

4.2 下一步学习建议

• 使用定时器中断生成更精准PWM；
• 驱动两个电机实现智能小车；
• 引入编码器实现速度反馈；
• 学习红外避障 或循迹功能。

本章标志着你已掌握基本的电机控制能力，下一章将进入步进电机的学习，实现精确角度控制。

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