51单片机基础-步进电机控制

第十二章步进电机控制

1. 导入

在第十一章中，我们学习了直流电机的控制，其特点是连续旋转、速度可调，但无法精确定位。本章将介绍步进电机（Stepper Motor） ，它以"步"为单位旋转，每步对应固定角度，能够实现精确的位置与角度控制，广泛应用于打印机、CNC、机器人、摄像头云台等需要精确定位的场合。

本章以常见的四相五线步进电机（28BYJ-48） 为例，配合ULN2003驱动模块，通过51单片机实现正转、反转、调速和角度控制。

学习目标：

理解步进电机的工作原理与类型；
掌握28BYJ-48的接线与驱动方式；
编写单步、连续旋转控制程序；
实现精确角度转动（如90°、180°）；
为后续智能控制、自动化系统打下基础。

2. 硬件设计

2.1 步进电机类型

类型	相数	特点
单极性步进电机	4相	每相有中心抽头，易于驱动（如28BYJ-48）
双极性步进电机	2相	无中心抽头，需H桥驱动，扭矩大

本章使用28BYJ-48 ：5V供电，4相单极性，减速比64:1，步距角5.625°，即每圈需要 64 × 64 = 4096步（内部转子5.625°，减速后输出轴一圈为4096步）。

2.2 ULN2003驱动模块

28BYJ-48驱动电流较大，单片机I/O无法直接驱动，需使用ULN2003达林顿阵列芯片，其特点：

高耐压、大电流输出；
内部集成续流二极管；
输入端可直接接TTL电平（兼容51单片机）。

2.3 电路连接

28BYJ-48引脚说明（从电机引出线看）：

颜色	引脚	功能
红	VCC	5V电源正极（必须接）
橙	IN1	A相
黄	IN2	B相
粉	IN3	C相
蓝	IN4	D相

注意：红为公共端，接5V；其余四线接ULN2003输出。

连接方式：

单片机	ULN2003输入	步进电机
P1.0	IN1	橙线（A）
P1.1	IN2	黄线（B）
P1.2	IN3	粉线（C）
P1.3	IN4	蓝线（D）
VCC	ULN2003 VDD	接5V
GND	ULN2003 GND	共地

ULN2003输出端接电机，输入端接P1口。

3. 软件设计

3.1 工作原理

28BYJ-48采用四相八拍工作方式，即每相依次通电，形成旋转磁场，驱动转子一步步转动。

四相八拍激励序列：

步数	A (P1.0)	B (P1.1)	C (P1.2)	D (P1.3)	十六进制
1	1	0	0	0	0x01
2	1	1	0	0	0x03
3	0	1	0	0	0x02
4	0	1	1	0	0x06
5	0	0	1	0	0x04
6	0	0	1	1	0x0C
7	0	0	0	1	0x08
8	1	0	0	1	0x09

每步旋转 5.625° / 64 = 0.08789° （减速后），但每步进一拍，电机前进 5.625° / 8 = 0.703125° （电气角度），最终输出轴一圈需 4096拍。

3.2 定义控制序列

c 复制代码

#include <reg52.h>

// 四相八拍序列（共8步）
unsigned char code step_sequence[8] = {
    0x01, 0x03, 0x02, 0x06,
    0x04, 0x0C, 0x08, 0x09
};

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

3.3 单步控制函数

c 复制代码

// 单步执行
void step_motor(unsigned char step) {
    P1 = step_sequence[step % 8];  // 输出对应相序
    delay_ms(10);  // 步进延时，影响速度（可调）
}

3.4 正转与反转控制

c 复制代码

// 正转：顺序执行序列
void motor_forward(unsigned int steps) {
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < steps; i++) {
        unsigned char j;
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            P1 = step_sequence[j];
            delay_ms(10);  // 每拍延时
        }
    }
}

// 反转：逆序执行序列
void motor_backward(unsigned int steps) {
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < steps; i++) {
        unsigned char j;
        for (j = 7; j != 0xFF; j--) {
            P1 = step_sequence[j];
            delay_ms(10);
        }
    }
}

j != 0xFF 防止无符号数下溢死循环。

3.5 精确角度控制

计算：每拍对应输出轴角度 = 360° / 4096 ≈ 0.08789°

c 复制代码

// 转动指定角度（近似）
void rotate_angle(unsigned int angle, unsigned char direction) {
    unsigned long total_steps = (unsigned long)(angle * 4096) / 360;
    if (direction == 1) {
        motor_forward(total_steps);
    } else {
        motor_backward(total_steps);
    }
}

示例：rotate_angle(90, 1); → 正转90°

3.6 主程序示例

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void main() {
    P1 = 0x00;  // 初始关闭所有相

    while(1) {
        motor_forward(1);     // 正转一圈（4096拍）
        delay_ms(1000);

        motor_backward(1);    // 反转一圈
        delay_ms(1000);
    }
}

3.7 调速控制

通过改变delay_ms(10)中的延时值实现调速：

使用示例：motor_forward_speed(1, 5); → 快速；motor_forward_speed(1, 20); → 慢速。

3.8 编译与下载

Keil中创建工程；
确保ULN2003与电机连接正确；
编译生成HEX；
下载至单片机；
观察电机是否平稳旋转，无丢步。

若电机抖动或不转：

检查电源电压是否为5V；

延时过短会导致扭矩不足，适当增加延时；

确认接线顺序是否正确（橙黄粉蓝）。

##4. 小结

本章通过控制步进电机，掌握了精确位置控制技术，主要内容包括：

硬件连接：学会使用ULN2003驱动28BYJ-48步进电机；
激励方式：掌握四相八拍工作模式；
软件实现：编写正反转、角度控制、调速函数；
精度控制：实现按角度转动，支持自定义步数；
应用拓展：为自动化设备、智能仪表开发奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
电机抖动不转	电源不足、延时太短	使用5V独立电源，增加延时
旋转方向错误	相序接错	检查橙黄粉蓝接线顺序
丢步	负载过大或速度过快	减慢速度，减轻负载
发热	持续通电	停止后可关闭输出（P1=0x00）

4.2 下一步学习建议

使用定时器中断实现更平稳的步进控制；
引入按键或红外遥控控制启停与方向；
实现多轴联动（如XY平台）；
结合LCD显示当前角度或状态。

本章标志着你已掌握精确运动控制能力，下一章将进入串口通信（UART） 的学习，实现单片机与PC或其他设备的数据交互。

51单片机基础-步进电机控制

第十二章 步进电机控制

1. 导入

2. 硬件设计

2.1 步进电机类型

2.2 ULN2003驱动模块

2.3 电路连接

28BYJ-48引脚说明（从电机引出线看）：

连接方式：

3. 软件设计

3.1 工作原理

四相八拍激励序列：

3.2 定义控制序列

3.3 单步控制函数

3.4 正转与反转控制

3.5 精确角度控制

3.6 主程序示例

3.7 调速控制

3.8 编译与下载

4.1 常见问题与解决

4.2 下一步学习建议

第十二章步进电机控制