51单片机-驱动步进电机模块教程
本章概述思维导图：
51单片机驱动步进电机模块
步进电机简介
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的电动机，其核心特点在于能够通过控制脉冲数量来精确控制转动角度，无需反馈装置即可实现定位；步进电机内部结构图如下：
步进电机内部结构：绕组、定子与转子
1、定子
由硅钢片叠压而成，表面有齿轮状突起（极齿），每个极齿绕有绕组（线圈）。
定子绕组通电后产生磁场，驱动转子旋转。
相数：独立绕组的数量（如两相、三相），决定控制精度和扭矩。
2、转子
永磁式：由永磁体制成，与定子磁场直接对齐，扭矩大但速度/分辨率较低。
反应式（变阻式）：由软磁材料制成，通过磁阻变化驱动，速度高但扭矩小。
混合式：结合永磁体和软磁材料，兼具高分辨率（如1.8°步距角）、高速度和大扭矩，应用最广泛。
3、绕组
定子极齿上的线圈，通电后产生磁场，通过电流方向和大小控制磁场极性和强度。
单极性：每个绕组有中心抽头，通过简单电路控制电流方向（但铜损较高）。
双极性：每个绕组仅两端，需H桥电路控制电流方向（效率更高）。
步进电机主要类型
按励磁方式：
磁阻式（VR）：结构简单，步距角大，动态性能差。
永磁式（PM）：转子为永磁体，步距角大，但启动频率低。
混合式（HB）：结合前两者优点，步距角小、输出力矩大，应用最广泛。
按相数：两相、三相、五相，相数越多步距角越小（如两相1.8°，五相0.72°）。
步进电机核心参数
步距角：每个脉冲的转动角度，如1.8°（两相）、0.9°（半步驱动）。
保持转矩：电机静止时锁定的最大力矩，衡量负载能力。
起动频率：直接启动而不失步的最高脉冲频率。
运行频率：连续运行时的最高脉冲频率，与转速相关。
精度：步距角实际值与理论值的偏差，通常在±5%以内。
步进电机应用场景
精确定位：3D打印机（喷头移动）、数控机床（刀具定位）、机器人（关节控制）。
自动化设备：输送带、机械臂、包装机（定长切割）。
医疗设备：注射泵、CT扫描仪（精密驱动）。
消费电子：打印机（打印头移动）、相机（自动对焦）、ATM机（钞票传送）。
步进电机优势
开环控制：无需传感器反馈，系统简单且成本低。
低速大扭矩：适合需要频繁启停的场景。
响应快：启动、停止迅速，适合高速动态控制。
步进电机工作原理
1、步进电机基本原理
磁场对齐：定子绕组通电后产生磁场，转子因磁力作用与磁场对齐。
顺序切换：通过按顺序切换通电绕组，转子逐步旋转。
步距角：每脉冲转动的角度，由电机结构决定。
计算公式：步距角=360°/（转子齿数×运行拍数）
示例：两相混合式步进电机（转子50齿，运行拍数4），步距角为1.8°
2、运行模式
全步模式：一次仅一个相位通电，扭矩大但步距角较大（如90°）
半步模式：交替单、双相通电，步距角减半（如45°），但扭矩波动。
微步模式：通过调节电流大小实现更小步距（如0.1°），但扭矩降低。
3、控制方法：角度、转速、与正反转
转动角度控制：
脉冲计数：每个脉冲驱动转子转动一个步距角，脉冲数决定总角度。
示例：100个脉冲 × 1.8° = 180°。
转速控制：
频率调节：转速（RPM）= (脉冲频率 × 60) / 每转步数。
示例：脉冲频率1000Hz，每转200步，转速为300RPM。
加速/减速策略：高频启动可能导致失步，需采用S形曲线等匀加速算法。
正反转控制：
通电顺序切换：
正转：按A→B→C→D顺序通电。
反转：按D→C→B→A顺序通电。
步进电机极性区分
步进电机极性区分基础
步进电机的极性由绕组设计和电流方向控制方式决定，主要分为两类：
1、单极性
绕组有中心抽头，电流仅需单向流动（通过公共端）。
典型代表：五线四相步进电机。
2、双极性
绕组无中心抽头，电流需双向流动（需H桥电路控制方向）。
典型代表：四线双极性步进电机。
五线四相步进电机（单极性）介绍
1、结构特点
5根引线：1根公共端（COM，通常红色），4根相线（A、B、C、D）。
绕组设计：每个绕组有中心抽头，电流从公共端流向相线。
2、极性区分方法
万用表测量：电阻档测量公共端（COM）与其他4根线：阻值相同，确认公共端。测量相线间阻值：高阻值或无穷大，说明属于不同相。
接线逻辑：公共端接电源正极，相线按顺序连接驱动器输出端（如A→B→C→D）。
3、控制原理
控制原理示意图：1~8顺时针旋转360°
第一步：A相通电，B、C、D不通电；顺时针旋转0°；
第二步：A、B相通电，C、D不通电；顺时针旋转45°；
第三步：B相通电，A、C、D不通电；顺时针旋转90°；
第四步：B、C相通电，A、D不通电；顺时针旋转135°；
第五步：C相通电，A、B、D不通电；顺时针旋转180°；
第六步：C、D相通电，A、B不通电；顺时针旋转225°；
第七步：D相通电，A、B、C不通电；顺时针旋转270°；
第八步：A、D相通电，B、C不通电；顺时针旋转315°；
四线双极性步进电机（双极性）介绍
1、结构特点：
4根引线：无公共端，每相由两根线组成（A+、A-；B+、B-）。
绕组设计：电流需双向流动，需H桥电路控制方向。
2、极性区分方法
万用表测量：电阻档测量任意两根线：低阻值说明同一相（如A+和A-），高阻值为不同相。标记同一相的两根线为A+、A-和B+、B-。
接线逻辑：同一相线连接驱动器输出端（如A+→OUT1，A-→OUT2；B+→OUT3，B-→OUT4）。
3、控制原理
通过H桥电路切换电流方向，实现正反转：
正转：A相通电（A+→正，A-→负），B相通电（B+→正，B-→负）。
反转：A相通电（A+→负，A-→正），B相通电（B+→负，B-→正）。
需专用驱动器（如L298N、TMC2209）支持双极性控制。
控制原理示意图：1~8顺时针旋转360°
第一步：A相通电（A+为高电平，A-为低电平），B相不通电；
第二步：A相通电（A+为高电平，A-为低电平），B相通电（B+为高电平，B-为低电平）；
第三步：A相不通电，B相通电（B+为高电平，B-为低电平）；
第四步：A相通电（A+为低电平，A-为高电平），B相通电（B+为高电平，B-为低电平）；
第五步：A相通电（A+为低电平，A-为高电平），B相不通电；
第六步：A相通电（A+为低电平，A-为高电平），B相通电（B+为低电平，B-为高电平）；
第七步：A相不通电；B相通电（B+为低电平，B-为高电平）；
第八步：A相通电（A+为高电平，A-为低电平），B相通电（B+为低电平，B-为高电平）；
28BYJ-48步进电机简介
28BYJ-48步进电机为五线四相单极步进电机，内置1：64减速齿轮箱；
五线定义：
公共端（COM）：红色线，接电源正极（5V）。
四相线：橙、黄、粉、蓝四色线，分别对应A、B、C、D相。
驱动方式：单极性驱动，采用1-2相励磁模式（单相与双相交替通电）。
通电顺序：
全步四拍：A→B→C→D→A，每步转动5.625°（原始步距角）。
半步八拍：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A，步距角减半至2.8125°，运行更平稳。
转速计算：
公式：转速（RPM）=（脉冲频率 × 60） / 每转步数。
示例：脉冲频率400Hz，每转200步（半步模式），转速= (400×60)/200=120 RPM。
步进电机硬件电路原理图分析
电路原理图分析：
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；
这里我们正好可以实现步进电机五线匹配上ULN2003芯片引出的座子进行连接控制；我们将步进电机的红线连接VCC引脚，橙线连接ULN2003芯片的OUT1、黄线连接ULN2003芯片的OUT2、粉线连接ULN2003芯片的OUT3、蓝线连接ULN2003芯片的OUT4；
驱动步进电机模块软件编程设计
我们一起实现控制步进电机转动，并且通过三个独立按键实现对步进电机的控制啦，按键1按下实现步进电机的转向，按键2按下实现步进电机转动加速度，按键3按下实现步进电机转动减速度；
步进电机转动360°示意图：
第一步：我们实现步进电机旋转360°代码并且封装成函数，函数形参str为步数一共有八步，形参xz为步进电机方向0为顺时针旋转，1为逆时针旋转；
第二步：创建独立按键检测函数，之前文章有教学小伙伴直接复制粘贴就好啦。成熟的工程师往往都是在拷贝的道路上学习的；独立按键检测函数学习章节！！！
第三步：在主函数中实现按键控制步进电机功能
#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
#define BYJ_48_MAX 1 //步进电机最快速度
#define BYJ_48_min 5 //步进电机最慢速度
void Delay_10us(u16 us)//延时函数：输入1大概延时时间为10us
{while(us--);
}
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--){}}
}
#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 IN1_D=P1^0;
sbit IN2_C=P1^1;
sbit IN3_B=P1^2;
sbit IN4_A=P1^3;
void BYJ_48(u8 str,u8 xz) //步进电机控制:形参str:选择步数，xz:旋转方向0顺时针旋转，1逆时针旋转
{u8 temp=str;if(xz == 0){temp=7-str; }switch(temp){case 0: IN1_D=1;IN2_C=0;IN3_B=0;IN4_A=0;break;//第一步case 1: IN1_D=1;IN2_C=1;IN3_B=0;IN4_A=0;break;//第二步 case 2: IN1_D=0;IN2_C=1;IN3_B=0;IN4_A=0;break;//第三步case 3: IN1_D=0;IN2_C=1;IN3_B=1;IN4_A=0;break;//第四步case 4: IN1_D=0;IN2_C=0;IN3_B=1;IN4_A=0;break;//第五步case 5: IN1_D=0;IN2_C=0;IN3_B=1;IN4_A=1;break;//第六步 case 6: IN1_D=0;IN2_C=0;IN3_B=0;IN4_A=1;break;//第七步case 7: IN1_D=1;IN2_C=0;IN3_B=0;IN4_A=1;break;//第八步}
}
int main()
{u8 str=0;//步进电机开始步数u8 xz=0;//步进电机旋转方向：0为顺时针 u8 sd=BYJ_48_MAX;//步进电机速度控制u8 KEY=0;//按键获取 while(1){KEY=KEY_detect(0);//按键获取if(KEY == 1)//按键1按下改变步进电机运行方向{xz=!xz;}if(KEY == 2)//按键2按下加速度{if(sd > BYJ_48_MAX){sd-=1;}}if(KEY == 3)//按键3按下减速度{if(sd < BYJ_48_min){sd+=1;}}BYJ_48(str++,xz);if(str == 8) str=0;Delay_ms(sd);}
}
驱动步进电机转动效果展示：1、按键2控制步进电机加速度；2、按键1控制步进电机转向；3、按键3控制步进电机减速度；
驱动步进电机模块
制作不易！喜欢的小伙伴给个小赞赞！喜欢我的小伙伴点个关注！有不懂的地方和需要的资源随时问我哟！