一、步进电机基本原理

1.开环

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

2.工作状态

非超载时，电机转速、转过的角度取决于脉冲信号的频率和脉冲数。

3.线性关系

给电机施加一个脉冲，电机转过一个步距角；角位移量/线位移量与电脉冲数成正比。

二、步进电机驱动方式

单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 驱动是步进电机最常采用的两种驱动方式。

1.单极性驱动电路

使用4个晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图一所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有5条线与外界连接。 图一中五线式步进电机虽又称为单极性步进电机，但实际上既可使用单极性驱动电路，也可使用双极性驱动电路。

2.双极性驱动电路

则如图二所示，它会使用8个晶体管来驱动两组相位，其中四颗下端晶体管通常是由MCU直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路可以驱动四线式或六线式步进电机，而四线式电机只能使用双极性驱动电路。

3.两种驱动方式的区别：

1.双极性驱动四相步进电机的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍。
2.双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，而单极性驱动电路需要箝位电路，如下图所示，ULN2003数据手册给出的典型值为1.7V。

三、五线四相电机28BYJ-48

1. 28BYJ-48介绍

28——步进电机最大外径为28mm
B——步进电机
Y——永磁式
J——减速电机
48——四相八拍工作方式
注意：步进电机有一个性能参数叫空载启动频率，其决定了输入脉冲的频率，此电机的启动频率在500Hz以上，因此输入脉冲要间隔2ms以上。

2.八拍工作模式

八拍工作方式的英文名是half-stepping，英文表达很形象，转子从A转到AB中间，再有AB中间转到B，好似每次只走了半步。因此线圈通电顺序是：A-AB-B-BA’-A’-A’B’-B’-B’A（我用A‘代替了图中的“A非”）。
八拍工作模式最大的好处就是扭矩大。

PS：四相电机的叫法可能存在一定问题（误导性），因为准确说它其实只有两组相位，四相=两组相位，图一中的定子也是成对命名的（A+/A-，B+/B-），所以图一中的步进电机更好的称呼是双相位五线式步进电机。当然主流叫法仍是五线四相，叫起来顺口，还是尽量使用“四相”称呼以方便交流。

四、步进电机驱动电路（ULN2003）

本实验采用较简单的ULN2003芯片（TI公司），给电机提供大电流，最高输出500mA。不能直接使用单片机I/O引脚直接驱动，哪怕是推挽输出模式的电流也不够。

1.内部电路

2.逻辑功能框图

每一个反相器就是一个NPN达林顿管，B（基极）是输入，C（集电极）是输出。
亦可使用L298N芯片（双H桥）驱动。

五、实物图连接

笔者用的普中51开发板外接的ULN2003模块，因为看中外接模块的LED灯，便于通过灯的亮灭观察电机的工作方式。（此开发板板载有ULN2003芯片只是没有灯）

1.ULN2003模块
ULN2003的IN1-IN4分别接51单片机的P1.0-P1.4管脚，驱动模块的GND/VCC 5V 接普中A2开发板上的地和电源。
2.独立按键
使用普中A2开发板上的K4按键，K4按键接单片机的P3.3管脚。

六、Show me the code.

欢迎“拍砖”

#include "reg52.h"    
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit k4 = P3^3;
bit keystatus = 1; //按键状态

unsigned char code Forward_Rotation[]={
    0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//八拍正转
unsigned char code Reverse_Rotation[]={
    0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//八拍反转

void Timer0Init();
void delay(u16 i); 
/*
实验目标：通过一个按键（微动开关）控制电机的正反转，按一下切换电机转动方向。
应用知识：定时器中断用于按键的消抖，没有使用传统的延时消抖。
*/
void main()
{
    
	u8 direction;  //电机转动方向，0为正转，1为反转
	Timer0Init();
	while (1)
	{
    
		u8 i;
		if(keystatus == 0)
			count++;
		if(count == 2)
			count = 0;
		direction = count;
	
		if(direction == 0)  //正转
		{
    
			for(i=0;i<8;i++)      
			{
    
				P1=Forward_Rotation[i];  
				delay(300);
			}  
		}
		if(direction == 1)  //反转
		{
    
			for(i=0;i<8;i++)      
			{
    
				P1=Reverse_Rotation[i];  
				delay(400);
			}  
		}	
	}
}
void delay(u16 i) 
{
    
	while(i--);
}
void Timer0Init()  //定时器0初始化
{
    
 	EA=1;  //打开总中断 
	TMOD=0X01;  //选择为定时器 0 模式，工作方式 1，仅用 TR0 打开启动。
 	TH0=0XF8;   //给定时器赋初值，定时2ms 
 	TL0=0XCD; 
 	ET0=1;  //打开定时器 0 中断允许 
 	TR0=1;  //打开定时器
}
void InterruptTimer0() interrupt 1 //中断服务函数，用于按键状态的扫描以及消抖
{
    
 	static unsigned char keybuf = 0XFF;
 	TH0 = 0XF8;  //重新加载定时器初值
 	TL0 = 0XCD;
	keybuf = (keybuf<<1) | k4;
 	if (keybuf == 0x00)
  		keystatus = 0; //连续八次扫描都为0，则说明按键被按下
 	if (keybuf == 0xFF)
  		keystatus = 1; //连续八次扫描都为1，则说明按键已抬起
}

对于按键消抖当然也可采用延时消抖，定时器中断权当练习吧。

七、总结

1.步进电机有三种优点

1.步进电机依靠电脉冲信号（数字信号）进行转动，使用单片机控制很合适，符合数字化的发展趋势。
2.能够较准确地转过一定角度（一般是360度以内），实际应用场景：比如空调叶片的上下或左右扫风，转过角度是180度以内。
3.凭借其开环控制成本较低的优势，步进电机在精度要求较低的场景得到广泛应用。

2.收获

本实验只是实现了让电机转起来，没有通过脉冲个数控制步进电机转过一定角度，难免有些大材小用。但通过正反转实验能基本了解步进电机的工作原理及其驱动方式。