【鸿蒙开发】Hi3861学习笔记- GPIO之直流电机

00. 目录

01. GPIO概述

GPIO（General-purpose input/output）即通用型输入输出。通常，GPIO控制器通过分组的方式管理所有GPIO管脚，每组GPIO有一个或多个寄存器与之关联，通过读写寄存器完成对GPIO管脚的操作。

基本概念

GPIO又俗称为I/O口，I指的是输入(in），O指的是输出（out）。可以通过软件来控制其输入和输出，即I/O控制。

• GPIO输入

  输入是检测各个引脚上的电平状态，高电平或者低电平状态。常见的输入模式有：模拟输入、浮空输入、上拉输入、下拉输入。

• GPIO输出

  输出是当需要控制引脚电平的高低时需要用到输出功能。常见的输出模式有：开漏输出、推挽输出、复用开漏输出、复用推挽输出。

02. 直流电机概述

2.1 核心原理：电磁力驱动旋转

直流电机基于电磁感应定律和洛伦兹力，将电能转换为机械能。其本质是通过电流与磁场的相互作用产生连续转矩，驱动转子旋转。

2.2 基本结构

直流电机由以下关键部件组成：

• 定子（Stator）：
  • 产生固定磁场，通常由永磁体或电磁线圈（励磁绕组）构成。
  • 永磁型：小型电机常用，磁场稳定；
  • 电磁型：通过外部电流调节磁场强度。
• 转子（电枢，Armature）：
  • 由铁芯、绕组线圈组成，通电后成为电磁铁，与定子磁场相互作用。
• 换向器（Commutator）：
  • 由铜片分段组成，与转子轴同步旋转，周期性切换绕组电流方向。
• 碳刷（Brushes）：
  • 静止部件，与换向器接触，将外部电流传递至转子绕组。

2.3 工作过程

(1) 电流与磁场作用

• 当直流电源通过碳刷和换向器向电枢绕组供电时，绕组中产生电流。

• 根据弗莱明左手定则（电动机定则），载流导体在磁场中受力：

  F=B⋅I⋅L

  • B：磁感应强度
  • I：导体电流
  • L：导体有效长度

(2) 转矩生成

• 多个电枢绕组对称分布，每对绕组受力的合力形成旋转转矩，驱动转子转动。

(3) 换向过程

• 当转子旋转半圈后，换向器切换绕组电流方向，确保同一磁极下的导体受力方向不变，维持连续旋转。

2.4 反电动势（Back EMF）

• 转子旋转时，导体切割磁场线会产生感应电动势，方向与电源电压相反，称为反电动势
• 反电动势的作用：
  • 限制电枢电流，避免过载。
  • 反映转速与电压的关系。

2.5 分类与应用

• 有刷直流电机：
  • 结构简单，成本低，但碳刷磨损需维护（如玩具、风扇）。
• 无刷直流电机（BLDC）：
  • 电子换向（无碳刷），寿命长、效率高，需专用驱动器（如无人机、硬盘电机）。
• 串励/并励/复励电机：
  • 通过励磁绕组与电枢绕组的连接方式调节特性，用于工业调速场景。

2.6 驱动与控制

• PWM调速：通过调节驱动电压的占空比控制平均电流，实现无级变速。
• H桥电路：改变电流方向以控制正反转（需配合换向逻辑）。
• 闭环控制：加入编码器反馈，实现精确转速/位置控制。

直流电机的核心是电磁力驱动转子旋转，依赖换向器维持单向转矩，反电动势平衡电枢电流。其特性由电压、电流、磁场共同决定，广泛应用于需要简单调速的场合。实际设计中需注意电火花抑制（有刷电机）、EMI滤波及驱动电路保护。

直流电机没有正负之分，在两端加上直流电就能工作。开发板配置的直流电机为 5V 直流电机，如下：

要让直流电机旋转，直接使用芯片的 GPIO 连接肯定是不行的，需要借助驱动模块，比如板载的 ULN2003 模块。它可以让芯片的 GPIO 提供很小的电流就能驱动大电流的设备。

03. ULN2003模块概述

ULN2003 是一款高电压、大电流的 达林顿晶体管阵列驱动芯片，专为驱动继电器、步进电机、LED阵列等高功率负载设计。其核心由 7组NPN达林顿管 构成，每路可提供 500mA 持续电流 和 50V 集电极-发射极电压，并内置 续流二极管，适用于感性负载的开关控制。

ULN2003 使用非常简单，可以简单理解为一个非门，即输入为高电平，输出则为低电平，输入为低电平，输出则为高组态。ULN2003 结

构图如下：

从图中可知，1B 输入对应 1C 输出，2B 输入对应 2C 输出，因此类推。注意：因为 ULN2003 的输出是集电极开路，ULN2003 要输出高

电平，必须在输出口外接上拉电阻。这也就能解释在后面连接直流电机时为什么不能直接将 ULN2003 的 2个输出口接电机线，而必须一

根线接电源，另一个才接 ULN2003 输出口。

04. 硬件设计

由图可知，P1 端子的 MOTOR_IN1-MOTORIN_4 脚为 ULN2003 控制端，J3 端子为 ULN2003 的输出端，本实验直流电机的一脚接在 J3

端子的 VCC5，另一脚接在J3 端子的 OUT1。要使直流电机旋转，只需给 MOTOR_IN1 脚输出高电平，如输出低电平，则电机停止。因此

可使用导线将芯片的 IO 口与 MOTOR_IN1 脚连接。

05. 软件设计

bsp_dc_motor.h

#ifndef BSP_DC_MOTOR_H
#define BSP_DC_MOTOR_H#include "cmsis_os2.h"
#include "hi_io.h"
#include "hi_gpio.h"//管脚定义
#define DC_MOTOR_PIN         HI_IO_NAME_GPIO_14
#define DC_MOTOR_GPIO_FUN    HI_IO_FUNC_GPIO_14_GPIO#define DC_MOTOR(a)          hi_gpio_set_ouput_val(DC_MOTOR_PIN,a)//函数声明
void dc_motor_init(void);#endif

bsp_dc_motor.c

#include "bsp_dc_motor.h"//直流电机初始化
void dc_motor_init(void)
{hi_gpio_init();                                            // GPIO初始化hi_io_set_pull(DC_MOTOR_PIN, HI_IO_PULL_DOWN);             // 设置GPIO下拉hi_io_set_func(DC_MOTOR_PIN, DC_MOTOR_GPIO_FUN);           // 设置IO为GPIO功能hi_gpio_set_dir(DC_MOTOR_PIN, HI_GPIO_DIR_OUT);            // 设置GPIO为输出模式
}

template.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>#include "ohos_init.h"
#include "cmsis_os2.h"#include "bsp_dc_motor.h"//控制任务
osThreadId_t DC_MOTOR_Task_ID; //任务IDvoid DC_MOTOR_Task(void)
{dc_motor_init();//直流电机初始化DC_MOTOR(1);sleep(3);DC_MOTOR(0);while (1) {usleep(10*1000);}
}
//任务创建
void dc_motor_task_create(void)
{osThreadAttr_t taskOptions;taskOptions.name = "dc_motorTask";       // 任务的名字taskOptions.attr_bits = 0;               // 属性位taskOptions.cb_mem = NULL;               // 堆空间地址taskOptions.cb_size = 0;                 // 堆空间大小taskOptions.stack_mem = NULL;            // 栈空间地址taskOptions.stack_size = 1024;           // 栈空间大小 单位:字节taskOptions.priority = osPriorityNormal; // 任务的优先级DC_MOTOR_Task_ID = osThreadNew((osThreadFunc_t)DC_MOTOR_Task, NULL, &taskOptions); // 创建任务1if (DC_MOTOR_Task_ID != NULL){printf("ID = %d, Task Create OK!\n", DC_MOTOR_Task_ID);}
}/*** @description: 初始化并创建任务* @param {*}* @return {*}*/
static void template_demo(void)
{printf("-Hi3861开发板--直流电机实验\r\n");dc_motor_task_create();//任务创建
}
SYS_RUN(template_demo);

06. 实验现象

下载程序前，按照如下接线

实验现象：直流电机旋转 3S 后停止。

07. 附录