本文主要介紹步進電機的一些基礎知識及如何用單片機控制步進電機.
步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，它的用途是將電脈沖轉化為角位移，通俗地說：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
一、步進電機常識
常見的步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB），永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。
二、永磁式步進電機的控制
下面以電子愛好者業余制作中常用的永磁式步進電機為例，來介紹如何用單片機控制步進電機。
圖1是35BY型永磁步進電機的外形圖，圖2是該電機的接線圖，從圖中可以看出，電機共有四組線圈，四組線圈的一個端點連在一起引出，這樣一共有5根引出線。要使用步進電機轉動，只要輪流給各引出端通電即可。將COM端標識為C，只要AC、 C、BC、 C，輪流加電就能驅動步進電機運轉，加電的方式可以有多種，如果將COM端接正電源，那么只要用開關元件（如三極管），將A、 、B、 輪流接地。
下表列出了該電機的一些典型參數：
表1 35BY48S03型步機電機參數
型號 步距角 相數 電壓 電流 電阻 最大靜轉距 定位轉距 轉動慣量
35BY48S03 7.5 4 12 0.26 47 180 65 2.5
有了這些參數，不難設計出控制電路，因其工作電壓為12V，最大電流為0.26A，因此用一塊開路輸出達林頓驅動器（ULN2003）來作為驅動，通過 P1.4~P1.7來控制各線圈的接通與切斷，電路如圖3所示。開機時，P1.4~P1.7均為高電平，依次將P1.4~P1.7切換為低電平即可驅動步進電機運行，注意在切換之前將前一個輸出引腳變為高電平。如果要改變電機的轉動速度只要改變兩次接通之間的時間，而要改變電機的轉動方向，只要改變各線圈接通的順序。
圖1 35BY48S03型步進電機外形圖
圖2 35BY48S03型步進電機的接線圖
圖3 單片機控制35BY48S03型步進電機的電路原理圖
三、步進電機的驅動實例
要求：控制電路如圖3所示，開機后，電機不轉，按下啟動鍵，電機旋轉，速度為25轉/分，按下加1鍵，速度增加，按下減1鍵，速度降低，最高速度為100轉/分，最低轉帶為25轉/分，按下停止鍵，電機停轉。速度值要求在數碼管上顯示出來。
1．要求分析
按上面的分析，改變轉速，只要改變P1.0~P1.3輪流變低電平的時間即可達到要求，這個時間不應采用延時來實現，因為會影響到其他功能的實現。這里以定時的方式來實現。下面首先計算一下定時時間。
按要求，最低轉速為25轉/分，而上述步進電機的步距角為7.5，即每48個脈沖為1周，即在最低轉速時，要求為1200脈沖/分，相當于50ms/脈沖。而在最高轉速時，要求為100轉/分，即48000脈沖/分，相當于12.5ms/脈沖。可以列出下表
表1 步進電機轉速與定時器定時常數關系
速度 單步時間(us) TH1 TL1 實際定時（us）
25 50000 76 0 49996.8
26 48077 82 236 48074.18
27 46296 89 86 46292.61
28 44643 95 73 44640.155
… … … … …
100 12500 211 0 12499.2
表中不僅計算出了TH1和TL1，而且還計算出了在這個定時常數下，真實的定時時間，可以根據這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。
表中TH1和TL1是根據定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格，程序就不難實現了，使用定時/計數器T1為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。
2．程序實現
定義DSB－1A實驗板的S1為啟動鍵，S2為停止鍵，S3為加1鍵，S4為減1鍵，程序如下：
StartEnd bit 01H ;起動及停止標志
MinSpd EQU 25 ;起始轉動速度
MaxSpd EQU 100 ;最高轉動速度
Speed DATA 23H ;流動速度計數
DjCount DATA 24H ;控制電機輸出的一個值，初始為11110 111
Hidden EQU 10H ;消隱碼
Counter DATA 57H ;顯示計數器
DISPBUF DATA 58H ;顯示緩沖區
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
JMP DISP
ORG 001BH
JMP DJZD
ORG 30H
MAIN:
MOV SP,#5FH
MOV P1,#0FFH
MOV A,#Hidden
MOV DispBuf,A
MOV DispBuf+1,A
MOV DispBuf+2,A
MOV DjCount,#11110111B
MOV SPEED,#MinSpd ;起始轉動速度送入計數器
CLR StartEnd ;停轉狀態
MOV TMOD,#00010001B ;
MOV TH0,#HIGH(65536-3000)
MOV TL0,#LOW(65536-3000)
MOV TH1,#0FFH;
MOV TL1,#0FFH
SETB TR0
SETB EA
SETB ET0
SETB ET1
LOOP: ACALL KEY ;鍵盤程序
JNB F0,m_NEXT1 ;無鍵繼續
ACALL KEYPROC ;否則調用鍵盤處理程序
m_NEXT1:
MOV A,Speed
MOV B,#10
DIV AB
MOV DispBuf+5,B ;最低位
MOV B,#10
DIV AB
MOV DispBuf+4,B
MOV DispBuf+3,A
JB StartEnd,m_Next2
CLR TR1 ;關閉電機
JMP LOOP
ORL P1,#11110000B
m_Next2:
SETB TR1 ;啟動電機
AJMP LOOP ;主程序結束
;---------------------------------------
D10ms:
……
;---------延時程序,鍵盤處理中調用
KEYPROC:
MOV A,B ;獲取鍵值
JB ACC.2,StartStop ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為1
JB ACC.3,KeySty
JB ACC.4,UpSpd
JB ACC.5,DowSpd
AJMP KEY_RET
StartStop:
SETB StartEnd ;啟動
AJMP KEY_RET
KeySty:
CLR StartEnd; ;停止
AJMP KEY_RET
UpSpd:
INC SPEED;
MOV A,SPEED
CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次數？
DEC SPEED ;是則減去1，保證下次仍為該值
K1:
AJMP KEY_RET
DowSpd:
DEC SPEED
MOV A,SPEED
CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回
MOV SPEED,#MinSpd;
KEY_RET:
RET
KEY:
……獲取鍵值的程序
RET
DjZd: ;定時器T1用于電機轉速控制
PUSH ACC
PUSH PSW
MOV A,Speed
SUBB A,#MinSpd ;減基準數
MOV DPTR,#DjH
MOVC A,@A+DPTR
MOV TH1,A
MOV A,Speed
SUBB A,#MinSpd
MOV DPTR,#DjL
MOVC A,@A+DPTR
MOV TL1,A
MOV A,DjCount
CPL A
ORL P1,A
MOV A,DjCount
JNB ACC.7,d_Next1
JMP d_Next2
d_Next1:
MOV DjCount,#11110111B
d_Next2:
MOV A,DjCount
RL A
MOV DjCount,A ;回存
ANL P1,A
POP PSW
POP ACC
RETI
DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12……
DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165
……
DISP: ;顯示程序
POP PSW
POP ACC
……
RETI
BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH
DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH
END
3．程序分析
本程序主要由鍵盤程序、顯示器程序、步進電機驅動程序三部份組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器的高3位消隱，步進電機驅動的各引腳均輸出高電平，然后調用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調用鍵盤處理程序，否則直接轉下一步。下一步是將當前的轉速值轉換為BCD碼，送入顯示緩沖區；接著判斷 StartEnd這個位變量，是“1”還是“0”，如果是“1”，則開啟定時器T1，否則關閉定時器T1，為防止關閉時某一相線圈長期通電，因此，在關閉定時器T1時，將P1.0~P1.3均置高。至此，主程序的工作即結束。這里為簡便起見，這里沒有做高位“0”消隱的工作，即如果速度為10轉/分，則顯示值“010”，讀者可以自行加入相關的代碼來處理這一工作。
步進電機的驅動工作是在定時器T1的中斷服務程序中實現的，由前述分析，每次的定時時間到達以后，需要將P1.0~P1.3依次接通，程度中用了一個變量DjCntr來實現這一功能，在主程序初始化時，該變量被賦予初值 11110111B，進入到定時中斷以后，將該變量取出送ACC累加器，并在累加器中進行左移，這樣，該數值就變為1110 1111，然后將該數與P1 相“與”，此時，P1.4即輸出低電平，第二次進入中斷時，先將該數取反，成為 0001 0000，然后將該數與P1相“或”，這樣，P1.4即輸出高電平，關斷了相應的線圈，然后將該數重新取出，并作左移，即 1110，1111右移成為1101 1111，將該數與P1相“與”，這樣P1.5即輸出低電平，依次類推，P1.7~P1.4即循環輸出低電平。當這一數據變為0111 1111后，需要作適當的改動，將數據重新變回 1111 0111，進行第二次循環，相關代碼，請讀者自行分析。
定時時間又是如何確定的呢？這里用的是查表的方法，首先用Excel計算得出在每一種轉速下的TH值和TL值，然后，分別放入DjH和DjL表中，在進入T1中斷程序之后，將速度值變量Speed送入累加器ACC，然后減去基數25，使其基數從 0開始計數，然后分別查表，送入TH1和TL1，實現重置定時初值的目的。
看完這一部份內容以后，請讀者自行完成以下工作：
1． 更改程序，將S1定義為“啟動/停止”，而S2定義為“方向”，按下S2，切換電機旋轉方向。
2． 更改程序，要求轉速從1到100。
3． 更改程序，實現首位無效零消隱。
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