零知IDE——基于零知ESP32与DRV8833的稳定电机测速系统实现教程
本帖最后由 eefocus_4087784 于 2025-12-15 18:13 编辑 ✔零知开源（零知IDE）是一个专为电子初学者/电子兴趣爱好者设计的开源软硬件平台，在硬件上提供超高性价比STM32系列开发板、物联网控制板。取消了Bootloader程序烧录，让开发重心从 “配置环境” 转移到 “创意实现”，极大降低了技术门槛。零知IDE编程软件，内置上千个覆盖多场景的示例代码，支持项目源码一键下载，项目文章在线浏览。零知开源(零知IDE)平台通过软硬件协同创新，让你的创意快速转化为实物，来动手试试吧！✔访问零知实验室，获取更多实战项目和教程资源吧！
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项目概述
本项目基于零知 ESP32主控，搭配DRV8833 电机驱动模块和红外对射计数传感器，实现了高精度、高稳定性的电机速度测量与控制。核心功能包括：通过串口接收 PWM 指令控制电机转速，利用红外对射传感器采集电机码盘脉冲，结合定时器中断精准采样、EMA 指数加权滤波和平滑阈值处理，最终在 OLED 屏实时显示稳定的速度值（cm/s）、当前 PWM 输出和原始脉冲数
项目难点及解决方案
问题描述1：实时脉冲数据经常出现大幅跳动
解决方案：采用ESP32的硬件定时器提供精确的1秒采样周期，同时结合指数加权移动平均（EMA）滤波算法和变化阈值检测机制，实现了速度值的稳定输出
一、硬件操作部分硬件清单
组件名称型号规格数量备注
主控板 零知ESP32-WROOM-32 1 核心控制器
电机驱动DRV8833双H桥驱动模块1电机速度控制
传感器红外对射计数传感器1脉冲检测
OLED显示屏0.96寸I2C SSD13061数据显示
直流电机微型直流电机1待测对象
码盘20格黑白码盘1安装于电机轴
接线方案表 DRV8833采用5V供电确保电机驱动能力
零知 ESP32 引脚连接器件器件引脚功能说明
12（MOTOR_AIN1） DRV8833AIN1电机 PWM 控制引脚 1
13（MOTOR_AIN2）DRV8833AIN2电机方向 / 停止控制引脚 2
14（SENSOR_PIN）红外对射传感器 信号脚（OUT） 脉冲计数信号输入
21（SDA）OLED1306SDAI2C 数据总线
22（SCL）OLED1306SCLI2C 时钟总线
DRV8833 OUT1直流电机电机引脚 1电机动力输出
DRV8833 OUT2直流电机电机引脚 2电机动力输出
具体接线图
连接实物图
二、代码讲解部分 代码核心在于实现了多层级的稳定性算法，下面详细解析关键部分：
硬件定时器中断
// ================= 硬件定时器配置 =================
hw_timer_t *speedSampleTimer = NULL; // 速度采样定时器
volatile unsigned int timerInterruptCount = 0;// 定时器中断计数(10次=1秒)
portMUX_TYPE timerCriticalMux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED; // 临界区保护锁
// ================= 中断服务函数 =================
/**
* @brief 红外传感器中断服务函数(上升沿触发+1ms去抖)
* 功能：过滤毛刺信号，统计有效脉冲数
*/
void IRAM_ATTR infraredSensorIsr() {
unsigned long currentIsrTime = micros();
// 1ms去抖：两次中断间隔>1000μs→视为有效脉冲
if (currentIsrTime - lastSensorIsrTime > 1000) {
portENTER_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux); // 禁止其他中断，保护计数变量
sensorPulseCount++;
portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
lastSensorIsrTime = currentIsrTime;
}
}
/**
* @brief 定时器中断服务函数(100ms触发一次)
* 功能：累计中断次数，触发1秒一次的速度计算
*/
void IRAM_ATTR speedSampleTimerIsr() {
portENTER_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
timerInterruptCount++;
portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
}
IRAM_ATTR确保中断函数存储在IRAM中，提高执行速度
硬件定时器配置
void setup() {
// 串口初始化(115200波特率，用于控制和波形输出)
Serial.begin(115200);
while (!Serial); // 等待串口就绪(兼容部分开发板)
// OLED初始化
if (!oledDisplay.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_I2C_ADDR)) {
Serial.println("OLED Init Failed!");
while (1); // 初始化失败则卡死，提示错误
}
oledDisplay.setTextColor(SSD1306_WHITE); // 设置字体颜色为白色
// PWM初始化(适配DRV8833)
ledcSetup(PWM_CHANNEL_MOTOR, PWM_FREQUENCY, PWM_RESOLUTION);
ledcSetup(PWM_CHANNEL_STANDBY, PWM_FREQUENCY, PWM_RESOLUTION);
ledcAttachPin(MOTOR_DRV_AIN1, PWM_CHANNEL_MOTOR);
ledcAttachPin(MOTOR_DRV_AIN2, PWM_CHANNEL_STANDBY);
// 红外传感器初始化(下拉输入+上升沿中断)
pinMode(INFRARED_SENSOR_PIN, INPUT_PULLDOWN);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INFRARED_SENSOR_PIN),
infraredSensorIsr, RISING);
// 速度采样定时器初始化(100ms中断一次)
speedSampleTimer = timerBegin(0, 80, true); // 定时器0，80分频(1MHz计数)，向上计数
timerAttachInterrupt(speedSampleTimer, &speedSampleTimerIsr, true); // 绑定中断函数
timerAlarmWrite(speedSampleTimer, 100000ul, true); // 100000×1μs=100ms，自动重载
timerAlarmEnable(speedSampleTimer); // 使能定时器中断
// 系统就绪提示
Serial.println("=== System Ready ===");
Serial.println("Usage: Send PWM value (0~255) via Serial to control motor");
Serial.println("Serial Output Format: RawPulse | FilteredPulse | Speed(cm/s)");
Serial.println("====================");
}
timerBegin 使用定时器0，预分频80(80MHz/80=1MHz)，向上计数；timerAlarmWrite设置报警值为100,000微秒，自动重载；每10次中断构成1秒的完整采样周期
指数加权移动平均滤波
void loop() {
// 1. 串口接收PWM指令，控制电机速度
if (Serial.available() > 0) {
int inputPwm = Serial.parseInt(); // 读取串口发送的PWM值
// 验证输入有效性(仅接收0~255的数值)
if ((Serial.read() == '\n' || Serial.read() == '\r') && inputPwm >= 0 && inputPwm <= 255) {
setMotorPwmSpeed(inputPwm);
Serial.printf("Motor PWM Set to: %d\n", currentMotorPwm);
} else {
Serial.println("Invalid Input! Please send number between 0~255");
}
}
// 2. 每1秒采样一次，计算稳定速度(定时器中断累计10次=1秒)
if (timerInterruptCount >= 10) {
portENTER_CRITICAL(&timerCriticalMux); // 临界区保护，避免数据冲突
unsigned long rawPulse = sensorPulseCount; // 读取原始脉冲数
sensorPulseCount = 0; // 重置脉冲计数
timerInterruptCount = 0; // 重置定时器计数
portEXIT_CRITICAL(&timerCriticalMux);
// --- 核心算法：数据平滑+稳定速度计算 ---
// A. 静态噪声过滤：低速截止
if (rawPulse < minValidPulse) {
rawPulse = 0;
filteredPulseCount = 0.0; // 强制归零，避免噪声导致的虚假速度
}
// B. EMA指数加权滤波：平滑原始脉冲数据
// 公式：滤波后值 = α×当前测量值 + (1-α)×上一次滤波值
filteredPulseCount = (emaFilterAlpha * rawPulse) + ((1.0 - emaFilterAlpha) * filteredPulseCount);
// C. 阈值判断：仅当脉冲变化足够大时更新显示(抑制微小波动)
if (abs(filteredPulseCount - lastDisplayedPulse) > speedUpdateThreshold || rawPulse == 0) {
lastDisplayedPulse = filteredPulseCount; // 更新显示用脉冲数
}
// D. 计算最终稳定速度(cm/s)
currentSpeedCmS = lastDisplayedPulse * cmPerPulse;
// --- 串口输出(格式固定，适配波形工具) ---
// 输出格式：Raw脉冲数 | 滤波后脉冲数 | 速度(cm/s)，保留2位小数
Serial.print(rawPulse);
Serial.print(" | ");
Serial.print(filteredPulseCount, 1); // 滤波后脉冲数保留1位小数
Serial.print(" | ");
Serial.println(currentSpeedCmS, 2); // 速度保留2位小数，波形更细腻
// --- 更新OLED显示 ---
updateOledDisplay(lastDisplayedPulse, currentSpeedCmS);
}
}
环节输入输出核心作用
低速截止 原始脉冲数0 或原始值过滤静态噪声（无电机转动时的误计数）
EMA 滤波原始脉冲数 / 上次平滑值平滑后脉冲数 抑制大幅波动，保留趋势
变化阈值平滑后脉冲数 / 上次显示值 稳定显示值过滤 ±1~2 的微小波动，保持显示稳定
项目完整代码
/**************************************************************************************
文件: /DRV8833_Motor_Stable_Speed/DRV8833_Motor_Stable_Speed.ino
作者：零知实验室（深圳市在芯间科技有限公司）
-^^- 零知开源，让电子制作变得更简单！ -^^-
时间: 2025-12-2 16:36:27
说明: 基于ESP32的电机稳速测速系统。通过红外传感器检测脉冲，结合EMA滤波和阈值算法计算稳定速度，并在OLED上实时显示。可通过串口调节电机PWM速度。
***************************************************************************************/
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
// ================= 用户可调参数 (校准区) =================
// 1. 脉冲-距离转换系数 (cm/脉冲)：根据实际硬件校准
// 理论计算: 轮径25.75mm × π ÷ 码盘20格 ≈ 0.4045 cm/脉冲
// 校准规则：测量距离偏短→增大；偏长→减小
float cmPerPulse = 0.4045;
// 2. EMA滤波平滑系数 (0.01~1.0)
// 小值→更平滑但响应慢；大值→响应快但抖动大
const float emaFilterAlpha = 0.3;
// 3. 速度更新阈值 (死区)：抑制微小波动
// 仅当脉冲变化超过此值时更新显示，避免数值频繁跳动
const float speedUpdateThreshold = 2.0;
// 4. 最小有效脉冲数：过滤静态噪声
// 1秒内脉冲数小于此值→视为电机停止
const int minValidPulse = 2;
// ================= 硬件引脚定义 =================
#define OLED_SCREEN_WIDTH 128 // OLED屏幕宽度
#define OLED_SCREEN_HEIGHT 64 // OLED屏幕高度
#define OLED_I2C_ADDR 0x3C // OLED默认I2C地址
Adafruit_SSD1306 oledDisplay(OLED_SCREEN_WIDTH, OLED_SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
// DRV8833电机驱动引脚
#define MOTOR_DRV_AIN1 12 // 电机PWM控制引脚1
#define MOTOR_DRV_AIN2 13 // 电机方向/停止控制引脚2
#define INFRARED_SENSOR_PIN 14 // 红外对射传感器信号引脚
// ESP32 PWM配置参数
#define PWM_CHANNEL_MOTOR 0 // 电机PWM通道1
#define PWM_CHANNEL_STANDBY 1 // 电机备用通道2
#define PWM_RESOLUTION 8 // PWM分辨率(8位→0~255)
#define PWM_FREQUENCY 1000 // PWM频率(1kHz，适配DRV8833)
// ================= 全局变量 =================
volatile unsigned long sensorPulseCount = 0; // 传感器原始脉冲计数
volatile unsigned long lastSensorIsrTime = 0;// 传感器中断上次触发时间(去抖用)
// 滤波后数据存储
float filteredPulseCount = 0.0; // EMA滤波后的脉冲数
float currentSpeedCmS = 0.0; // 当前稳定速度(cm/s)
float lastDisplayedPulse = 0.0; // 上一次显示的脉冲数
int currentMotorPwm = 0; // 当前电机PWM输出值
// ================= 硬件定时器配置 =================
hw_timer_t *speedSampleTimer = NULL; // 速度采样定时器
volatile unsigned int timerInterruptCount = 0;// 定时器中断计数(10次=1秒)
portMUX_TYPE timerCriticalMux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED; // 临界区保护锁
// ================= 中断服务函数 =================
/**
* @brief 红外传感器中断服务函数(上升沿触发+1ms去抖)
* 功能：过滤毛刺信号，统计有效脉冲数
*/
void IRAM_ATTR infraredSensorIsr() {
unsigned long currentIsrTime = micros();
// 1ms去抖：两次中断间隔>1000μs→视为有效脉冲
if (currentIsrTime - lastSensorIsrTime > 1000) {
portENTER_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux); // 禁止其他中断，保护计数变量
sensorPulseCount++;
portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
lastSensorIsrTime = currentIsrTime;
}
}
/**
* @brief 定时器中断服务函数(100ms触发一次)
* 功能：累计中断次数，触发1秒一次的速度计算
*/
void IRAM_ATTR speedSampleTimerIsr() {
portENTER_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
timerInterruptCount++;
portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerCriticalMux);
}
// ================= 辅助函数 =================
/**
* @brief 设置电机PWM速度
* @param pwmVal: PWM值(0~255)，0→停止，越大转速越快
*/
void setMotorPwmSpeed(int pwmVal) {
currentMotorPwm = constrain(pwmVal, 0, 255); // 限制PWM范围(0~255)
if (currentMotorPwm == 0) {
ledcWrite(PWM_CHANNEL_MOTOR, 0);
ledcWrite(PWM_CHANNEL_STANDBY, 0); // 两通道均为0→电机停止
} else {
ledcWrite(PWM_CHANNEL_MOTOR, currentMotorPwm);
ledcWrite(PWM_CHANNEL_STANDBY, 0); // DRV8833正转模式
}
}
/**
* @brief 更新OLED显示内容
* @param dispPulse: 显示用脉冲数(滤波后)
* @param dispSpeed: 显示用速度(cm/s)
*/
void updateOledDisplay(float dispPulse, float dispSpeed) {
oledDisplay.clearDisplay();
// 标题栏
oledDisplay.setTextSize(1);
oledDisplay.setCursor(0, 0);
oledDisplay.println("STABLE SPEED METER");
oledDisplay.drawLine(0, 10, OLED_SCREEN_WIDTH, 10, SSD1306_WHITE);
// 速度显示(大号字体)
oledDisplay.setCursor(0, 20);
oledDisplay.setTextSize(2);
oledDisplay.print(dispSpeed, 2); // 保留2位小数，提高精度
oledDisplay.setTextSize(1);
oledDisplay.println(" cm/s");
// 辅助信息(PWM+脉冲数)
oledDisplay.setCursor(0, 45);
oledDisplay.print("PWM: "); oledDisplay.print(currentMotorPwm);
oledDisplay.setCursor(64, 45);
oledDisplay.print("Pulse: "); oledDisplay.print((int)dispPulse);
oledDisplay.display();
}
// ================= 初始化函数 =================
void setup() {
// 串口初始化(115200波特率，用于控制和波形输出)
Serial.begin(115200);
while (!Serial); // 等待串口就绪(兼容部分开发板)
// OLED初始化
if (!oledDisplay.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_I2C_ADDR)) {
Serial.println("OLED Init Failed!");
while (1); // 初始化失败则卡死，提示错误
}
oledDisplay.setTextColor(SSD1306_WHITE); // 设置字体颜色为白色
// PWM初始化(适配DRV8833)
ledcSetup(PWM_CHANNEL_MOTOR, PWM_FREQUENCY, PWM_RESOLUTION);
ledcSetup(PWM_CHANNEL_STANDBY, PWM_FREQUENCY, PWM_RESOLUTION);
ledcAttachPin(MOTOR_DRV_AIN1, PWM_CHANNEL_MOTOR);
ledcAttachPin(MOTOR_DRV_AIN2, PWM_CHANNEL_STANDBY);
// 红外传感器初始化(下拉输入+上升沿中断)
pinMode(INFRARED_SENSOR_PIN, INPUT_PULLDOWN);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INFRARED_SENSOR_PIN),
infraredSensorIsr, RISING);
// 速度采样定时器初始化(100ms中断一次)
speedSampleTimer = timerBegin(0, 80, true); // 定时器0，80分频(1MHz计数)，向上计数
timerAttachInterrupt(speedSampleTimer, &speedSampleTimerIsr, true); // 绑定中断函数
timerAlarmWrite(speedSampleTimer, 100000ul, true); // 100000×1μs=100ms，自动重载
timerAlarmEnable(speedSampleTimer); // 使能定时器中断
// 系统就绪提示
Serial.println("=== System Ready ===");
Serial.println("Usage: Send PWM value (0~255) via Serial to control motor");
Serial.println("Serial Output Format: RawPulse | FilteredPulse | Speed(cm/s)");
Serial.println("====================");
}
// ================= 主循环 =================
void loop() {
// 1. 串口接收PWM指令，控制电机速度
if (Serial.available() > 0) {
int inputPwm = Serial.parseInt(); // 读取串口发送的PWM值
// 验证输入有效性(仅接收0~255的数值)
if ((Serial.read() == '\n' || Serial.read() == '\r') && inputPwm >= 0 && inputPwm <= 255) {
setMotorPwmSpeed(inputPwm);
Serial.printf("Motor PWM Set to: %d\n", currentMotorPwm);
} else {
Serial.println("Invalid Input! Please send number between 0~255");
}
}
// 2. 每1秒采样一次，计算稳定速度(定时器中断累计10次=1秒)
if (timerInterruptCount >= 10) {
portENTER_CRITICAL(&timerCriticalMux); // 临界区保护，避免数据冲突
unsigned long rawPulse = sensorPulseCount; // 读取原始脉冲数
sensorPulseCount = 0; // 重置脉冲计数
timerInterruptCount = 0; // 重置定时器计数
portEXIT_CRITICAL(&timerCriticalMux);
// --- 核心算法：数据平滑+稳定速度计算 ---
// A. 静态噪声过滤：低速截止
if (rawPulse < minValidPulse) {
rawPulse = 0;
filteredPulseCount = 0.0; // 强制归零，避免噪声导致的虚假速度
}
// B. EMA指数加权滤波：平滑原始脉冲数据
// 公式：滤波后值 = α×当前测量值 + (1-α)×上一次滤波值
filteredPulseCount = (emaFilterAlpha * rawPulse) + ((1.0 - emaFilterAlpha) * filteredPulseCount);
// C. 阈值判断：仅当脉冲变化足够大时更新显示(抑制微小波动)
if (abs(filteredPulseCount - lastDisplayedPulse) > speedUpdateThreshold || rawPulse == 0) {
lastDisplayedPulse = filteredPulseCount; // 更新显示用脉冲数
}
// D. 计算最终稳定速度(cm/s)
currentSpeedCmS = lastDisplayedPulse * cmPerPulse;
// --- 串口输出(格式固定，适配波形工具) ---
// 输出格式：Raw脉冲数 | 滤波后脉冲数 | 速度(cm/s)，保留2位小数
Serial.print(rawPulse);
Serial.print(" | ");
Serial.print(filteredPulseCount, 1); // 滤波后脉冲数保留1位小数
Serial.print(" | ");
Serial.println(currentSpeedCmS, 2); // 速度保留2位小数，波形更细腻
// --- 更新OLED显示 ---
updateOledDisplay(lastDisplayedPulse, currentSpeedCmS);
}
}
系统流程图
三、项目结果演示校准全过程1）硬件安装与接线
按接线表连接所有器件，确保：
红外对射传感器与码盘间距 5~10mm，对齐齿隙；DRV8833 供电电压匹配电机；OLED I2C 地址为 0x3C
2）传统 PID 方案测试
烧录原始 PID 代码，打开OLED 显示屏上的局域网地址，观察脉冲波形变化
原始脉冲数波动 52~71，抖动严重，无法稳定显示
3）改进方案校准
烧录改进后代码，进行以下校准：
距离校准（CM_PER_PULSE）：
①用尺子量取 1 米（100cm）距离，在串口发送 PWM=150，让电机带动轮子沿直线走 1 米；
②记录串口打印的Raw值（假设为 247），则CM_PER_PULSE=100/247≈0.405，修改代码后重新上传
滤波系数调节（FILTER_ALPHA）：
若速度仍抖，减小 α（如 0.2）；若响应过慢，增大 α（如 0.4）
阈值调节（CHANGE_THRESHOLD）：
微小波动多则增大至 2.5~3.0；响应迟缓则减小至 1.5~2.0
4）稳定测试
发送不同 PWM 值（50~255），观察串口和 OLED：
串口打印：Raw 值波动 ±3~5，但 Filtered 值波动≤±1，DispSpeed 波动≤±0.3 cm/s；
OLED 显示：速度值稳定，无频繁跳变
参数调节指南
参数默认值调节范围作用调节建议
CM_PER_PULSE0.4045 0.1-1.0每个脉冲对应的距离 根据实际测量校准
FILTER_ALPHA0.30.01-1.0 滤波平滑系数值越小越平滑但响应慢
CHANGE_THRESHOLD 2.00.5-10.0变化检测阈值值越大显示越稳定
MIN_PULSE_CUTOFF21-10最小有效脉冲过滤静止噪声
稳定速度输出波形图
打开调试功能/串口绘图仪→设置波特率→观察波形脉冲和速度变化：
速度波形基本呈水平线，波动幅度≤±0.3 cm/s，无大幅跳变
视频演示
https://live.csdn.net/v/504219?spm=1001.2014.3001.5501
串口发送 PWM 指令（255→127→90→0）、实时展示 OLED 屏，速度值稳定更新，PWM 与原始脉冲数同步显示、串口波形区速度波形平稳，无剧烈波动
四、DRV8833 与红外对射传感器技术讲解DRV8833 电机驱动模块工作原理
DRV8833 内部集成双 H 桥驱动电路，H 桥由 4 个 MOS 管组成，通过控制 MOS 管的导通 / 截止实现电机正转、反转、停止和调速
正转：AIN1=PWM，AIN2=LOW；
反转：AIN1=LOW，AIN2=PWM；
停止：AIN1=LOW，AIN2=LOW；
调速：改变 PWM 占空比（0~255），占空比越大，电机转速越高
红外对射计数传感器工作原理
传感器由红外发射管和接收管组成，呈对射式安装：
无遮挡时：发射管发出的红外光被接收管接收，接收管导通，输出低电平；有遮挡时（码盘齿经过）：红外光被阻断，接收管截止，输出高电平；电机转动时，码盘的齿和间隙交替遮挡红外光，传感器输出连续脉冲，脉冲数 = 码盘齿数 × 转动圈数。
计数逻辑
本项目电机码盘为 20 格（20 齿 + 20 间隙），电机转 1 圈，传感器输出 20 个脉冲；结合轮径计算每脉冲对应的距离：
每脉冲距离（cm）= 轮子周长（cm）/ 码盘齿数 =（π×轮径cm）/20
五、常见问题解答（FAQ）Q1：为什么我的脉冲计数仍然不稳定？ A：请按以下步骤排查：检查传感器安装是否牢固，码盘是否偏心；测量传感器输出信号，增大 FILTER_ALPHA 至 0.4~0.5，或增大 CHANGE_THRESHOLD 至 2.5~3.0，尝试更小的值（如0.2）；检查电源稳定性
Q2：电机不转动 A：请检查： DRV8833 供电，确保供电电大于等于电机工作电压； PWM 值大于等于70，电机启动需要最小电压驱动；DRV8833 模块引脚的 OUT1/OUT2 正确连接到电机，，AIN1=12，AIN2=13
项目资源整合
DRV8833数据手册： DRV8833 Dual H-Bridge Motor Driver datasheet (Rev. E)
OLED SSD1306库文件： Adafruit_SSD1306
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