Arduino应用——PWM控制直流电机风扇

最近在使用arduino UNO开发板完成课程小作业。其中一个要求设计一个电风扇控制系统，要求能够通过PWM调节风扇的转速。期间搜索了许多例程和方法，但受限于器件，效果不好。最后融合了两种方法，成功实现控制功能，因此在这里总结出来。

PWM原理

根据arduino官方社区的定义，PWM即脉冲宽度调制，是一种通过数字控制方式获得模拟结果的技术。数字控制用于创建方波，即在on和off之间切换的信号。通过改变信号处于ON状态时间和处于OFF状态时间的比例，这种模式可以模拟板子从Vcc（对UNO是5V）到off（GND，即0V）的所有电压。“ON”的持续时间称为 脉冲宽度。更改或调制脉冲宽度可以获得变化的模拟值。如果用LED灯足够快地重复此开关模式，效果相当于用一个介于0~Vcc之间的稳定电压，控制着LED灯的亮度。

0%占空比的图中，绿线代表固定时间段。如果arduino的PWM频率为500Hz，则该段持续时间或周期为2毫秒。analogWrite()函数的写入范围是0-255，那么analogWrite（255）代表请求100％的占空比（始终打开），而analogWrite（127）则是50％的占空比（一半时间）。

实验器件

器件	数目
Arduino UNO及USB下载线	1
ULN2003	1
大面包板	1
直流电机	1
小风扇	1
4.7kΩ电阻	2
四角按键开关	2
杜邦线	若干

这里在附上这些器件的官方指南和工作原理的说明。

• ULN2003
  是一种高压大电流的共发射极达林顿晶体管数组集成电路，内含7组达林顿对管，每组对管的电流容量是500mA，输出的电压最高50V。该集成电路还集成了7只共阴极形式连接的续流二极管，用于电感性负载的开关动作的电流续流。ULN2003A常见的封装形式有PDIP、SOIC、SOP或TSSOP。
  

实际操作时，ULN2003驱动板的IN1连接arduino的数字IO口9，供电口分别连接arduino的5V和gnd口。步进电机驱动部分最上方的接口连接直流电机。

• 四角按键开关怎么接线
• 直流电机
  
  直流电机两端无正负之分。

功能描述

Arduino的板载输出电流是不够的，所以我们得需要借助ULN2003驱动板来实现。
通过加速和减速按键，能够控制负载/电机两端电压，改变电机转速。
PWM频率一定时，脉冲宽度越大，占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就越高。反之脉冲宽度越小，则占空比越小，提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。

接线图/原理图

实现代码

代码及注释如下，可供参考。

// 定义引脚
const int buttonPin1 = 7; //定义buttonPin1引脚为7，加速按键
const int buttonPin2 = 2; //定义buttonPin2引脚为8，减速按键
const int motorPin = 9;   //定义motorPin引脚为9，驱动电机

int buttonState1 = 0;
int buttonState2 = 0;
int outputValue = 0;
int a1 = 0; //占空比，这里取0-255

void setup() {
  //输入输出状态定义
  pinMode(buttonPin1, INPUT);
  pinMode(buttonPin2, INPUT);
  pinMode(motorPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600); //定义串口波特率
}

void loop() {
  // 串口监视器打印按键状态和电机转速
  buttonState1 = digitalRead(buttonPin1);
  buttonState2 = digitalRead(buttonPin2);
  Serial.print("加速按钮=");
  Serial.println(buttonState1);
  Serial.print("减速按钮=");
  Serial.println(buttonState2);
  delay(1000);
  outputValue=analogRead(motorPin); //outputValue:0~1023
  Serial.print("output=");
  Serial.println(outputValue);
  if（outputValue<=500）{
  	if(buttonState1 == HIGH) { //如果加速按键按下
    	a1 += 20; // a1的变化数值可以根据实际需求调整
    	analogWrite(motorPin, a1); //将a的值赋给motorPin
    	delay(1000); //延迟1s
  	} 
  	if(buttonState2 == HIGH) { //如果减速按键按下
    	a1 -= 20;
    	analogWrite(motorPin, a1);
    	delay(1000);
  	}
  }
}

结果

程序烧录到arduino板子上后，打开串口监视器，同时随机按下按键，观察风扇转动情况与串口监视器读数。


总的来说，编程可以实现按键控制风扇转速增加/减小。

• 但是由于代码本身没有按键去抖动的保护，按下按键后，作用到电机的结果有延迟，或者速度控制不是很稳定。后续可以进一步改进，提高系统稳定性。
• analogRead()读取到的电机接口状态在0-1023之间，尽管初始化时已经通过analogWrite()将状态设为0，但是一开始读取到的接口状态并非0而是334左右，这意味着一开始作用到电机上的电压约为384/1024*5=1.631V，可能是ULN2003驱动板的作用，这个现象还可以继续深入探索。