51单片机-驱动直流电机模块教程

本章概述思维导图：

 51单片机驱动直流电机模块

直流电机简介

直流电机是指能将直流电与机械能相互转换的核心设备，其结构复杂且精密。通俗来说有两大板块：1、直流电能转换为机械能（直流电动机）；2、机械能转换为直流电能（直流发电机）；直流电机实物图如下：

以下从定子、转子、辅助系统及励磁方式四个维度，对直流电机关键元器件进行系统性介绍：

一、定子系统（静止部分）

1、主磁极

        结构：由铁芯（硅钢片叠压）和励磁绕组组成，极靴宽于极身以优化磁场分布。

        材料：铁芯用0.5-1.5mm厚硅钢片，绕组为绝缘铜线。

        作用：产生主磁场，与电枢电流相互作用形成转矩。

2、换向极

        结构：铁芯（整块钢或硅钢片）与绕组（铜线）组成，位于主磁极间。

        作用：通过产生反向磁场抵消电枢反应，减少换向火花。

3、机座

        材料：铸钢或钢板焊接。

        作用：固定磁极、支撑电机，并作为磁路的一部分（磁轭）。

4、电刷装置

        组成：电刷（石墨/金属石墨）、刷握（金属）、弹簧（恒压/可调式）、刷杆及刷杆座。

        作用：将电流引入或引出电枢绕组，确保与换向器稳定接触。

二、转子系统（旋转部分，电枢）

1、电枢铁芯

        材料：0.5mm硅钢片叠压，表面涂绝缘漆。

        作用：嵌放电枢绕组，减少涡流损耗（铁损）。

2、电枢绕组

        结构：高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕制，嵌入铁芯槽后用槽楔固定。

        作用：产生感应电动势和电磁转矩，实现能量转换。

3、转向器

        结构：梯形铜片与云母绝缘层组成圆柱体，与电枢绕组端头连接。

        作用：周期性切换电流方向，维持转矩方向恒定。

4、转轴

        材料：优质碳钢（如45#钢），经调质处理。

        作用：支撑转子，传递机械转矩。

三、辅助系统

1、轴承

        类型：滚动轴承（球轴承或滚子轴承）与滑动轴承（含油轴承）。

        作用：减少摩擦，支撑转子旋转。

2、风扇

        类型：离心式或轴流式，材质为塑料或铝合金。

        作用：冷却电机，防止过热。

3、端盖

        材料：铸铁或铝合金。

        作用：封闭电机内部，固定轴承，部分设计含观察窗以检查电刷状态。

四、励磁系统

1、 励磁绕组

连接方式：

        他励式：独立电源供电，适用于精密调速场景。

        并励式：绕组与电枢并联，电压稳定性好。

        串励式：绕组与电枢串联，启动转矩大（如电车驱动）。

        复励式：结合并励与串励，兼具高启动转矩与稳压特性。

        材料：高强度漆包线，绝缘等级通常为F级（155℃）。

2.、励磁电源

        类型：独立直流电源（他励）或电枢回路取电（并励/串励）。

        控制：通过调节励磁电流可调整电机转速（他励式调速范围可达1:20）。

直流电机工作原理

        能量转换：定子磁场与电枢电流相互作用，产生洛伦兹力驱动转子旋转。

        换向机制：换向器随转子旋转，动态切换电枢绕组电流方向，确保转矩方向恒定。

        调速控制：通过改变励磁电流或电枢电压，实现宽范围无级调速。

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ULN2003芯片简介

ULN2003是一款高压大电流达林顿晶体管阵列芯片，由七个独立的NPN达林顿管单元组成，专为驱动高电压、大电流负载设计。其核心功能是将低电平逻辑信号（如TTL/CMOS）转换为高功率输出，广泛应用于继电器、步进电机、LED显示等场景。ULN2003芯片实物图如下：

ULN2003芯片的特点

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。

ULN2003 采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

ULN2003芯片核心特性

特性	参数
通道数	7通道（达林顿阵列）
最大输出电流	单通道500mA，峰值600mA（多通道并联可提升）
工作电压	5V至50V（COM引脚需接负载电源正极）
输入电平	兼容TTL/CMOS（3.3V/5V逻辑）
饱和压降	约1V（集电极-发射极）
内置保护	反电动势吸收二极管（续流二极管）
封装	DIP-16（直插式）或SOP-16（贴片式）
工作温度	-40℃至85℃（工业级）

ULN2003芯片引脚配置与功能

引脚说明：

1、输入引脚（编号1~7）

        接收微控制器（如Arduino、单片机）的逻辑信号，高电平触发输出导通。

        每个输入引脚串联2.7kΩ基极电阻，可直接与TTL/CMOS接口连接。

2、输出引脚（编号10~16）

        集电极开路输出，低电平时导通（吸收电流），高阻态时断开。

        单个通道最大灌电流500mA，多通道并联可提升至1A。

3、COM引脚（编号9）

        关键功能：连接感性负载（如电机、继电器）的电源正极，形成续流回路，吸收反电动势。

        VCC：通过COM引脚间接供电（负载电源），无需单独供电。

        电阻负载：可悬空不接。

4、地GND（编号8）

        GND（引脚8）：芯片参考地，需与微控制器共地。

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直流电机硬件电路原理图分析

分析电路原理图：

ULN2003芯片的IN输入脚分别连接MCU的IO引脚，IN1-P10、IN2-P11、IN3-P12、IN3-P13、IN5-P25；

ULN2003芯片的OUT输出脚分别引出座子和连接蜂鸣器引脚，OUT1~OUT4引出座子，OUT5连接蜂鸣器（本章不考虑此引脚）；

ULC2003芯片的GND引脚连接公共地，COM引脚连接开发板的VCC电源引脚；

这直流电机元器件中有两个引脚用杜邦线与ULN2003芯片的VCC引脚和OUT1引脚进行连接；

这里有小伙伴会有疑问：

为什么不可以让直流电机的两个引脚与ULN2003芯片的OUT引脚进行连接，还要其中一个引脚特意连接VCC？

这是因为：ULN2003的每个输出脚（OUT）内部藏着一个达林顿晶体管。当输入为低电平时，达林顿晶体管会断开，让OUT引脚变成悬空状态。无法与电机形成电流回路。当输入为高电平时，达林顿晶体管会闭合，相当于OUT输出引脚接地；小伙伴们就简单记住ULN2003芯片的输出脚是个单向开关，当输入为高电平时，对应输出引脚接地。当输入为低电平时，对应输出引脚断开；

小伙伴们还有有一个疑问，为什么ULN2003芯片可以通过小电流（如3.3V和5V逻辑信号）控制大电流负载（如继电器、电机）呢？

这是因为：ULN2003的输入引脚（IN1-IN7）兼容3.3V/5V TTL/CMOS逻辑电平，接受微控制器（如STM32、Arduino）的低压控制信号。输出引脚（OUT1-OUT7）为集电极开路结构，通过外部电源（如5V、12V）为负载供电，输出电压由负载电源决定，而非芯片内部转换。而ULN2003芯片就相当于一个单向开关啦！

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驱动直流电机软件编程设计

我们做两个实验：第一个实验直流电机驱动5秒后自动关闭；第二个实验独立按键控制直流电机工作

这里我们直流电机为单向转动模式，我们就无需刻意区分电机正负啦。实现直流电机独立驱动5秒后自动关闭控制实验

代码示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
void Delay_ms(u16 ms) //毫秒延时函数：输入1大概延时时间为1ms
{u16 i,j;for(i=ms;i>0;i--){for(j=110;j>0;j--){}}
}
sbit FS=P1^0;    //ULN2003输入控制脚
int main()															 
{u8 KEY=0;FS=0;		//直流电机初始化，为静止状态FS=1;      //直流电机开始工作Delay_ms(5000);    //延时时间为5秒FS=0;              //关闭直流电机while(1){}
}

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这里我们直流电机为单向转动模式，我们就无需刻意区分电机正负啦。实现直流电机独立按键控制实验

第一步：实现独立按键检测功能；

第二步：实现直流电机驱动功能；

第三步：在主函数中实现独立按键控制直流电机驱动和静止；

代码示例：

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
void Delay_10us(u16 us)//延时函数：输入1大概延时时间为10us
{while(us--);
}
#define KEY_matrix	P1
sbit KEY1=P3^1;//定义检测独立按键的各个引脚输入状态
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;
#define KEY1_return 1//定义检测独立按键函数检测的状态变量返回值，按键按下分别返回1，2，3，4；没有按键按下返回0；
#define KEY2_return 2
#define KEY3_return 3
#define KEY4_return 4
#define KEY_return 0
u8 KEY_detect(u8 mode)//按键检测函数，返回值为判断是否有按键按下：有按键按下返回值为1-4，无按键按下返回值为：0；
{	static u8 flag=1;if(mode){flag=1;}if((!KEY1 || !KEY2 || !KEY3 || !KEY4) && flag==1)//一次判断是否有按键按下{flag=0;Delay_10us(1000);//延时消抖if(!KEY1)	return KEY1_return;//二次判断else if(!KEY2)	return KEY2_return;else if(!KEY3)	return KEY3_return;else if(!KEY4)	return KEY4_return;}else if(KEY1 && KEY2 && KEY3 && KEY4)//判断所有按键是否松开{flag=1;}return KEY_return;
}
sbit FS=P1^0;
int main()															 
{u8 KEY=0;FS=0;		//直流电机初始化，为静止状态while(1){KEY=KEY_detect(0);if(KEY == 1){FS=1;//按键一按下，直流电机驱动}else if(KEY == 2){FS=0;//按键二按下，直流电机停止工作}	}
}

独立按键控制直流电机驱动效果展示

独立按键控制直流电机效果展示

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