基于STM32F103单片机按键控制直流电机正反转设计方案

1. 引言

随着工业自动化和智能控制技术的飞速发展，电机控制作为其核心组成部分，在各个领域扮演着至关重要的角色。本设计方案旨在阐述一种基于STM32F103系列微控制器实现直流电机正反转控制的方案。通过按键输入，用户能够方便地控制电机的转动方向，同时兼顾系统的稳定性、可靠性以及扩展性。STM32F103系列单片机以其卓越的性能、丰富的外设资源和高性价比，成为此应用场景的理想选择。本方案将详细探讨系统硬件构成、软件设计逻辑以及关键元器件的选择与作用，为实际项目的开发提供理论依据和技术指导。

2. 系统需求分析

本设计方案主要实现以下功能：

• 电机正反转控制： 通过至少两个按键分别控制直流电机的正转和反转。

• 电机停止控制： 设置一个按键用于控制电机停止。

• 状态指示： 通过LED灯指示电机当前的工作状态（正转、反转、停止）。

• 安全保护： 考虑过流保护、短路保护等潜在的安全风险，以提高系统的鲁棒性。

• 可扩展性： 预留接口，方便未来功能扩展，例如调速、编码器反馈等。

3. 硬件设计

本系统硬件主要由STM32F103核心板、按键模块、电机驱动模块、直流电机和电源模块组成。

3.1 微控制器选择：STM32F103C8T6

元器件型号： STM32F103C8T6

作用： 作为整个控制系统的核心，负责按键信号的采集、逻辑判断、PWM信号的生成以及与电机驱动芯片的通信。

选择理由：

• 高性能： 基于ARM Cortex-M3内核，主频可达72MHz，处理速度快，能够满足实时控制的需求。

• 丰富的外设： 内置多个定时器、ADC、SPI、I2C、USART等外设，方便与各种传感器和执行器接口。例如，定时器可用于PWM输出控制电机速度，GPIO用于按键输入和LED输出。

• 高性价比： 相较于其他高性能微控制器，STM32F103C8T6具有较高的性价比，适合成本敏感型项目。

• 广泛的应用和资料： 市场上资源丰富，开发工具成熟，便于学习和开发。

• 低功耗： 在满足性能要求的同时，具备较好的功耗表现。

功能：

• GPIO（通用输入/输出）： 用于连接按键（输入）和LED（输出），实现对外部信号的读取和状态的显示。

• TIM（定时器）： 主要用于生成PWM（脉冲宽度调制）信号，控制电机驱动芯片的使能端或方向控制端，从而实现电机的速度和方向控制。

• NVIC（嵌套向量中断控制器）： 管理中断优先级，确保按键事件能被及时响应。

• FLASH和SRAM： 存储程序代码和运行时数据。

3.2 按键模块

元器件型号： 轻触按键（如KSC系列或TS-A4SW系列）

作用： 提供人机交互接口，用于向单片机输入控制指令。

选择理由：

• 结构简单： 易于连接和编程。

• 成本低廉： 大规模应用成本优势明显。

• 可靠性： 机械寿命较长，在一般环境下能够稳定工作。

功能： 当按键按下时，按键引脚与地导通，电平由高电平变为低电平（或由低电平变为高电平，取决于硬件接法），产生一个电平跳变信号，单片机通过读取该引脚电平变化来判断按键是否被按下。通常采用下拉电阻将按键引脚在未按下时保持低电平，按下时与VCC导通变为高电平；或者采用上拉电阻在未按下时保持高电平，按下时与GND导通变为低电平，本方案推荐后者以利用STM32内部上拉。

3.3 电机驱动模块

元器件型号： L298N电机驱动模块 或 DRV8871电机驱动模块

作用： 负责将单片机输出的低电平控制信号转换为驱动电机所需的足够大电流和电压，同时实现电机的正反转。

选择理由：

• L298N：

• 优点： 历史悠久，资料丰富，双路H桥驱动，可同时驱动两个直流电机或一个步进电机。输出电流较大（2A/通道），可驱动中等功率电机。

• 缺点： 驱动效率相对较低，发热量较大，需要散热片；内部压降较大。

• DRV8871：

• 优点： PWM控制接口简单，集成保护功能（过流、欠压、过温），效率高，发热量小，体积小巧，更适合中小功率直流电机驱动。

• 缺点： 一般为单通道驱动，若驱动两个电机需要两颗芯片。本方案优先推荐DRV8871或类似集成了保护功能的MOSFET驱动芯片，以提高系统可靠性和效率。

功能：

• H桥电路： 实现电机的正反转。通过控制H桥中不同MOSFET的通断，改变流过电机线圈的电流方向。

• 驱动能力： 提供足够的电流和电压驱动电机，克服电机内阻和反电动势。

• 保护功能（DRV8871等）： 内置过流保护（OCP）、过温保护（OTP）、欠压锁定（UVLO）等，保护电机和驱动芯片本身免受损坏。

3.4 直流电机

元器件型号： 12V直流减速电机（根据实际负载和扭矩需求选择具体参数）

作用： 将电能转换为机械能，实现转动。

选择理由：

• 易于控制： 直流电机通过改变供电电压极性即可实现正反转，易于驱动。

• 成本低廉： 结构相对简单，价格经济。

• 应用广泛： 适用于各种小型自动化设备。

功能： 接受驱动模块输出的电流，通过电磁感应原理产生转矩，带动输出轴转动。

3.5 电源模块

元器件型号： 12V直流开关电源适配器、AMS1117-3.3V线性稳压模块

作用： 为整个系统提供稳定可靠的电源。12V电源用于电机驱动模块和电机，3.3V电源用于STM32F103单片机。

选择理由：

• 开关电源适配器： 效率高，体积小，重量轻，易于购买。12V电压可满足多数小型直流电机的驱动需求。

• AMS1117-3.3V： 将12V或5V降压至STM32所需的3.3V工作电压，具有输出稳定、纹波小的特点。

功能：

• 降压稳压： 将较高电压（如12V）降压并稳压到单片机和部分外设所需的低电压（如3.3V），确保其正常工作。

• 滤波： 减少电源纹波，提高系统稳定性。

4. 软件设计

软件设计主要包括按键输入处理、电机控制逻辑、状态指示和中断服务程序。采用C语言编写，基于STM32CubeMX配置和HAL库开发。

4.1 按键输入处理

去抖动： 由于按键在按下和释放时会产生机械抖动，导致单片机可能多次误判按键状态。因此，需要软件去抖动处理。常用的方法是延时去抖或多次采样判断。

按键扫描： 定时器定时扫描按键引脚状态，或者配置外部中断，当按键按下时触发中断。考虑到按键数量较少，外部中断是更高效的选择。

代码逻辑（伪代码）：

C

// 外部中断服务函数（例如，按键连接到GPIOA的某个引脚）void EXTIx_IRQHandler(void){    
// 清除中断标志位
    // 延时去抖（例如20ms）
    // 再次读取按键状态
    // 如果按键确实被按下：
    //     根据按键ID执行相应操作（正转、反转、停止）
    //     更新电机状态标志
    //     控制LED亮灭}

4.2 电机控制逻辑

电机控制逻辑是软件的核心。根据按键输入，改变电机驱动芯片的控制信号，从而控制电机的方向和启停。

• 正转： 当正转按键按下时，设置电机驱动芯片的IN1为高电平，IN2为低电平（以L298N为例），使能EN引脚，电机正转。

• 反转： 当反转按键按下时，设置电机驱动芯片的IN1为低电平，IN2为高电平，使能EN引脚，电机反转。

• 停止： 当停止按键按下时，拉低电机驱动芯片的EN引脚，或者将IN1和IN2都设置为低电平（空闲停止）或高电平（刹车停止），电机停止。刹车停止更快速。

代码逻辑（伪代码）：

C

typedef enum {
    MOTOR_STOP,
    MOTOR_FORWARD,
    MOTOR_REVERSE
} MotorState_TypeDef;

MotorState_TypeDef currentMotorState = MOTOR_STOP;void Motor_Control(MotorState_TypeDef newState)
{    switch (newState)
    {        case MOTOR_STOP:            // 控制电机驱动芯片停止电机转动
            // 例如：HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            // 或者：HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            //       HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            break;        case MOTOR_FORWARD:            // 控制电机驱动芯片使电机正转
            // 例如：HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
            //       HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            //       HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
            break;        case MOTOR_REVERSE:            // 控制电机驱动芯片使电机反转
            // 例如：HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            //       HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
            //       HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_EN_GPIO_Port, MOTOR_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
            break;
    }
    currentMotorState = newState;
}// 在按键中断中调用：// if (key1_pressed) Motor_Control(MOTOR_FORWARD);// else if (key2_pressed) 
Motor_Control(MOTOR_REVERSE);// else if (key3_pressed) Motor_Control(MOTOR_STOP);

4.3 状态指示

通过连接到STM32F103 GPIO口的LED灯来指示电机当前的工作状态。例如：

• 绿色LED： 常亮表示电机正转。

• 红色LED： 常亮表示电机反转。

• 蓝色LED： 常亮表示电机停止。 在电机状态改变时，更新相应的LED状态。

4.4 中断服务程序

对于按键输入，建议使用STM32的外部中断（EXTI）机制。当按键电平发生跳变时，立即触发中断，执行中断服务程序，从而实现对按键事件的快速响应。在中断服务程序中，进行按键去抖、状态判断和电机控制函数调用。

5. 系统集成与调试

• 硬件连接： 严格按照原理图连接STM32F103、按键、电机驱动模块、电机和电源。

• STM32CubeMX配置： 使用STM32CubeMX工具配置引脚功能（GPIO输入输出）、定时器（如果需要PWM调速）、外部中断等，生成初始化代码。

• Keil MDK或STM32CubeIDE编程： 在生成的工程中添加按键处理逻辑、电机控制逻辑和状态指示代码。

• 分步调试：

• 首先调试按键输入，确保按键按下时单片机能够正确识别。

• 其次调试电机驱动模块，独立测试驱动模块是否能正确驱动电机正反转。

• 最后将两者集成，通过按键控制电机正反转，并观察LED状态。

• 安全测试： 在带负载情况下测试电机驱动能力，观察电机发热和驱动芯片发热情况。如果采用DRV8871等带保护功能的芯片，可以尝试触发其保护机制，验证其有效性。

6. 扩展功能与优化

• PWM调速： 通过STM32的定时器输出PWM信号到电机驱动芯片的使能端（EN），可以实现对电机转速的平滑调节。可以增加一个按键用于加速，另一个按键用于减速。

• 限位开关： 在电机运动的末端安装限位开关，当电机运动到极限位置时触发限位开关，单片机检测到信号后立即停止电机，防止电机过载或损坏机械结构。

• 编码器反馈： 对于需要精确控制转速或位置的应用，可以安装编码器获取电机转速和位置信息，通过PID算法实现闭环控制。

• OLED/LCD显示： 显示电机当前状态、转速等信息，提高人机交互体验。

• 串口通信： 预留USART接口，方便上位机（如PC）通过串口发送指令控制电机，或者上传电机状态数据。

7. 总结

本设计方案详细阐述了基于STM32F103单片机按键控制直流电机正反转的实现方法。通过选择合适的微控制器和电机驱动芯片，结合严谨的硬件连接和逻辑清晰的软件设计，能够构建一个稳定可靠、功能完善的电机控制系统。此方案具有较好的可扩展性，可根据实际需求进一步增加调速、位置控制等高级功能，为后续的电机控制项目开发奠定基础。