5.01 STM32 模块篇-步进电机模块实验（28BYJ48）_刘洋

步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）

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5.03.1.1 步进电机性能描述

1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2、28BYJ485V驱动的4相5线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64，步进角为5.625/64度。如果需要转动1圈，那么需要360/5.625*64=4096个脉冲信号。

3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。

附表2 ：主要技术参数

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5.01.1.2 拍数和步距角

四相步进电机有两种运行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四相八拍运行方式下步进电机的转速如果计算，需要先清楚两个基本概念。

1、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即“AB-BC-CD-DA-AB”，四相八拍运行方式“A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A”。

2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8°的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9°=360°，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。

附表2 ：驱动方式（4-1-2相驱动）

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注释：红色接电源，橙色接PD3，黄色接PD6，粉色接PD12，蓝色接PE4。

5.01.2 实验目的及设备

一、实验目的

1. 掌握步进电机的工作原理；

2. 掌握单片机实现步进电机控制的基本方法，其中包括硬件和软件实现两部分；

3. 熟悉计算机测控系统中，步进电机作为控制对象的系统设计方法。

二、实验设备

大黄蜂系列LY-STM32型单片机开发板一套

PC机一台

28BYJ-48型步进电机一个

杜邦线若干

5.01.3 步进电机硬件设计

选用大黄蜂实验板，步进电机28BYJ48型四相八拍电机是成品模块，直接使用杜邦线插接到实验板上即可。硬件设计见“图5.01.2 四相步进电机连线图”。

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注释：红色接电源，橙色接PD3，黄色接PD6，粉色接PD12，蓝色接PE4。

5.01.2 实验目的及设备

一、实验目的

1. 掌握步进电机的工作原理；

2. 掌握单片机实现步进电机控制的基本方法，其中包括硬件和软件实现两部分；

3. 熟悉计算机测控系统中，步进电机作为控制对象的系统设计方法。

二、实验设备

大黄蜂系列LY-STM32型单片机开发板一套

PC机一台

28BYJ-48型步进电机一个

杜邦线若干

5.01.3 步进电机硬件设计

选用大黄蜂实验板，步进电机28BYJ48型四相八拍电机是成品模块，直接使用杜邦线插接到实验板上即可。硬件设计见“图5.01.2 四相步进电机连线图”。

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注释：从K1到K4分别是：K1--高速正转；K2--高速反转；K3--低速正转；K4--低速反转。

5.01.4 软件设计

5.01.4.1 软件设计说明

我们还是采用库函数的方式进行程序设计。在这节程序设计中，用到了外部中断函数；prinif 重定向打印输出函数； USART串口通讯函数；定时器函数。

5.01.4.2 STM32库函数文件

stm32f10x_gpio.c

stm32f10x_rcc.c

Misc.c // 中断控制字（优先级设置）库函数

stm32f10x_exti.c // 外部中断库处理函数

本节实验及以后的实验我们都是用到库文件，其中 stm32f10x_gpio.h头文件包含了GPIO端口的定义。stm32f10x_rcc.h 头文件包含了系统时钟配置函数以及相关的外设时钟使能函数，所以我们要把这两个头文件对应的stm32f10x_gpio.c和stm32f10x_rcc.c加到工程中；Misc.c库函数主要包含了中断优先级的设置，stm32f10x_exti.c 库函数主要包含了外部中断设置参数，这些函数也要添加到函数库中。以上库文件包含了本次实验所有要用到的函数功能。

5.01.5 main.c文件里的内容是

#include "stm32f10x.h"

#include "stm32f10x_rcc.h"

#include "misc.h"

void RCC_Configuration(void);

void GPIO_Configuration(void);

void ZhengZhuan(u16 tt);

void FanZhuan(u16 tt);

void delay_ms(u16 nms);

int main(void)

{

RCC_Configuration(); //系统时钟设置及外设时钟使能

GPIO_Configuration();

while (1)

{

//读取PC5管脚的输入状态 K1

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_5) == Bit_RESET)

{

ZhengZhuan(5);//高速

}

//读取PC5管脚的输入状态 K2

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_1) == Bit_RESET)

{

FanZhuan(5);//高速

}

//读取PC2管脚的输入状态 K3

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_2) == Bit_RESET)

{

ZhengZhuan(10);//低速

}

//读取PC3管脚的输入状态 K4

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_3) == Bit_RESET)

{

FanZhuan(10);//低速

}

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

}

void RCC_Configuration(void)

{

SystemInit();

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE , ENABLE);

}

void GPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //端口配置结构体

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; //PD3管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //口线翻转速度为50MHz

GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; //PD6管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //口线翻转速度为50MHz

GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12; //PD12管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //口线翻转速度为50MHz

GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; //PE4管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //口线翻转速度为50MHz

GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PC5管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //输入上拉

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //PC1管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //输入上拉

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2; //PC2管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //输入上拉

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; //PC3管脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //输入上拉

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //初始化端口

}

//电机正转函数

void ZhengZhuan(u16 tt)

{

//1100

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//0110

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//0011

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//1001

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

}

//电机反转函数

void FanZhuan(u16 tt)

{

//1001

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//0011

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//0110

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

//1100

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_3);

GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_6);

GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);

GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_4);

delay_ms(tt);

}

void delay_ms(u16 nms)

{

u32 temp;

SysTick->LOAD = 9000*nms;

SysTick->VAL=0X00;//清空计数器

SysTick->CTRL=0X01;//使能，减到零是无动作，采用外部时钟源

{

temp=SysTick->CTRL;//读取当前倒计数值

}while((temp&0x01)&&(!(temp&(1<<16))));//等待时间到达

SysTick->CTRL=0x00; //关闭计数器

SysTick->VAL =0X00; //清空计数器

}

5.01.6 程序下载

在这一章节中要掌握DHT11温湿度传感器工作时序，了解常用的温湿度传感器功能和原理。

请根据下图所指向的7个重点区域配置。其中（1）号区域根据自己机器的实际情况选择，我的机器虚拟出来的串口号是COM3。（2）号区域请自己选择程序代码所在的文件夹。（7）号区域当程序下载完后，进度条会到达最右边，并且提示一切正常。（4、5、6）号区域一定要按照上图显示的设置。当都设置好以后就可以直接点击（3）号区域的开始编程按钮下传程序了。

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本节实验的源代码在光盘中：（LY-STM32 光盘资料\1.课程\2,外设篇\模块篇1.步进电机模块实验（28BYJ48）\程序）

5.01.7 步进电机小常识

1.什么是步进电机?

2.步进电机分哪几种?

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?

保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

6.步进电机的外表温度允许达到多少?

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?

A.电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。

13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?

只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

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