单片机很好玩13，步进电机的使用

前面几节主要介绍了如何使用C语言编程控制声光器件，本节再来说一点机械方面的经典器件——电机。然后我们在使用C语言编程单片机，制作一个“向日葵”，如下图：
[video width="544" height="960" mp4="https://www.xrkzn.cn/wp-content/uploads/2018/08/寻光器.mp4"][/video]
能够看出，电机会控制箭头始终指向光线最强的方向。

电机的分类方式有很多，按照用途总体可分为两大类：以直流电机为代表的驱动类电机，和以步进电机为代表的控制类电机。驱动类电机主要应用在电钻、风扇、小车轮子等设备上，而控制类电机则主要用在自动化仪表、智能机器、空调扇叶转动等设备上。

那显然，我们制作“向日葵”的目标时，选择使用控制类电机是非常合适的。这里我选用的是 28BYJ-48 步进电机，如下图：

根据使用手册，步进电机 28BYJ-48 中的 28 表示步进电机的最大外径是 28 mm，B 表示是步进电机，Y表示是永磁式，J 表示电机是减速型的，48 表示电机是四相八拍的。

28BYJ-48 步进电机的工作原理

其实“48（四相八拍）”就是用于说明如何驱动这款步进电机的，先来看看它的内部原理图：

步进电机的内圈（转子，顾名思义，它与转动轴相连，负责电机转动）有 6 个齿，每个齿上都是永磁体（Y），带有永久的磁性。步进电机的外圈（定子，保持不动）与外壳相连，它有 8 个齿，每个齿上都绕制了线圈，正对着的两个线圈是串联在一起的，所以它们同时导通或者关闭，这就形成了所谓的“四相”。

定子上的线圈导通时，因为电磁感应，就会产生磁力，吸引靠其最近的转子齿。如果交替导通 4 对线圈，则步进电机就转动起来了。按照上图中的步进电机内外圈相对位置，完成一个 B-C-D-A 四节拍后，转子将转过一个定子齿的角度，依此类推，当完成 8个这样的“四节拍”后，电机就恰好转过一圈。

这样一来，显然一个节拍能够驱动步进电机转动 360/（8* 4）=11.25度。那么，有没有更加精细的控制方法呢？当然是有的，可以在每个节拍之间在加上一个节拍，形成 B-BC-C-CD-D-DA-A-AB 八节拍的控制方式，这样一个节拍能够驱动电机转动 5.626 度，控制就更精细了。

C语言编程51单片机，控制步进电机旋转

为了制作“向日葵”，应使用C语言编程51单片机，驱动步进电机实现正向旋转和反向旋转的功能，那么怎么实现呢？先来看看如何连线。

28BYJ-48 步进电机有 5 根控制线，其中一根线接 5V 驱动电源，另外 4 根就分别是 A、B、C、D 四个相了，可以使用单片机的 4 个 IO 口分别控制，这样一来，若想控制 A 相导通，只需编写C语言代码控制 A 相为低就可以了。8 个节拍的控制顺序如下：

考虑到51单片机的IO口电流驱动能力比较弱，所以按照第二节介绍的方法，使用三极管间接控制步进电机了，控制电路如下图：

这里将 A、B、C、D 依次连接到 P0 口的低 4 位了，所以若想导通 A 相，P0 的低 4 位应该是 0b1110，也就是 0xE，依此类推，其他几相应该是：

unsigned char code beatCode[8] = {0xe,0xc,0xd,0x9,0xb,0x3,0x7,0x6};

若想驱动电机转动，依次给 P0 赋值 beatCode[i] 就可以了。那么，多久赋值一次呢？再来看 28BYJ-48 步进电机的使用手册：

请注意 P.P.S 这个参数（pulses per second, 每秒脉冲数），也即 1 秒可以赋值 550 次，相当于一次赋值要维持 1/550 约为 1.8 ms。这样一来，控制步进电机转动的C语言程序可以这么写：

char motorIndex = 0;
void Delay2ms(unsigned int cnt)
{
    unsigned int i = 2000;
    while(cnt--)
        while(i--);
}

void MotorTurn(unsigned int rounds)
{
    while(rounds--){
        P0 = beatCode[motorIndex];
        motorIndex ++;
        motorIndex = motorIndex&0x07;
        Delay2ms(1);
    }
}

MotorTurn() 函数就可以控制步进电机转动。代码很简单，就是依次向 P0 口赋值 beatCode 即可，因为 beatCode 只有 8 个元素，所以有 motorIndex = motorIndex&0x07; 这么一句。

假设上面的C语言代码是控制步进电机“正向旋转”的，那么我们还需要能够控制电机“反向旋转”的C语言程序，该怎么写呢？其实只要反向将 beatCode 赋值给 P0 就可以了，请看：

void MotorTurnBack(unsigned int rounds) // 反转
{
    while(rounds--){
        P0 = beatCode[motorIndex];      
        if(motorIndex > 0)
            motorIndex --;
        else
            motorIndex = 7;
        Delay2ms(1);
    }
}

MotorTurnBack() 函数可以控制步进电机“反向转动”。现在用C语言编写 main 函数，控制电机正向转动一会，再反向转动一会，代码如下，请看：

void main()
{
    while(1){
        MotorTurn(1000);
        MotorTurnBack(1000);
    }
}

代码很简单，现在编译C语言程序，烧写到单片机，就能发现一切与预期一致。

制作“向日葵”

到这里，我们就完成了使用C语言编程单片机，控制步进电机正向和反向旋转的功能。再结合之前介绍的光敏电阻，就能实现文章开头的“向日葵”功能了，限于篇幅，下一节再说了。