本帖最后由 无垠的广袤 于 2025-5-3 15:07 编辑
本文介绍了树莓派 RP2350 开发板实现步进电机驱动的项目设计，主要包括旋转角度的精确控制、串口发送实现自定义角度旋转、OLED 显示旋转状态三部分。
项目介绍
包括步进电机原理、该项目使用的 28BYJ-48 步进电机，及其驱动器——ULN2003 驱动模块介绍。
步进电机原理
步进电机（Stepper Motor）是一种将电脉冲信号转换为精确角度位移的执行器件，属于开环控制电机。
核心特点：每接收一个脉冲，转子就转动一个固定的角度（称为“步距角”），无需反馈传感器即可实现位置控制。
结构组成
定子：绕有线圈的磁极，分为多相（常见2相、4相、5相）。 转子：永磁体（永磁式）或齿状铁芯（反应式/混合式）。 定子绕组按特定顺序通电，产生旋转磁场，吸引转子逐步转动。
工作过程
28BYJ-48 步进电机
28BYJ-48 是一款常见的低成本、小扭矩 5 线单极步进电机，可使用 ULN2003 控制器和单片机实现旋转控制，广泛用于打印机、扫描仪、摄像机云台、空调、家电、玩具、消费电子等领域。
| 参数 | 值/描述 | 电机类型 | 单极 4 相永磁式步进电机（5线制） | 步距角 | 5.625°（64 步/圈），配合减速齿轮后 0.0879°（实际输出轴 4096 步/圈） | 减速比 | 1:64（内部齿轮组减速） | 额定电压 | 5V 或 12V DC | 相电流 | 约 100mA（每相） | 保持扭矩 | 约 0.1 N·m（输出轴，受减速齿轮影响） | 绕组电阻 | 约 50Ω/相 |
实际输出轴步距角为 5.625°/64 ≈ 0.0879°，转一圈理论上需要 64×64=4096 步，实际可能存在误差。
详见：28BYJ-48 数据手册 .
ULN2003 驱动器
ULN2003 是一款常用的达林顿晶体管阵列芯片，专为驱动高电流负载（如继电器、步进电机、LED阵列等）设计。其作用是将 MCU 输出的弱电流信号转换为大电流输出，是控制 28BYJ-48 步进电机的核心驱动芯片。
原理图
使用时需要将 28BYJ-48 步进电机的5线快接插头与 ULN2003 模块对应接口连接，并将模块的 4 个控制引脚（信号输入端，丝印 IN1、IN2、IN3、IN4）与单片机对应引脚相连，实现控制信号输入。
详见：ULN2003A 数据手册 - Texas Instruments .
项目方案
具体执行方案和工程测试流程如下
步进电机原理 旋转角度的精确控制 串口发送实现自定义角度旋转 OLED 显示旋转状态
旋转指定角度
本节介绍并实现了指定角度的步进电机旋转控制。
硬件连接
- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP18 ---- IN3 (ULN2003)
- GP19 ---- IN4 (ULN2003)
代码
'''
Name: Stepper Motor driven by ULN2003
Version: v1.0
Date: 2025.05
Author: ljl
Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle.
Hardware connect:
0 ---- IN1 (ULN2003)
1 ---- IN2 (ULN2003)
18 ---- IN3 (ULN2003)
19 ---- IN4 (ULN2003)
Ref: https://pico.nxez.com/2023/11/24 ... pberry-pi-pico.html
'''
from machine import Pin
import utime
# 电机控制引脚
coils = [
Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
Pin(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)
Pin(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)
]
# 四相八拍步进电机的顺序值
STEP_SEQ = [
[1, 0, 0, 1], # AB'
[1, 0, 0, 0], # A
[1, 1, 0, 0], # AB
[0, 1, 0, 0], # B
[0, 1, 1, 0], # BC
[0, 0, 1, 0], # C
[0, 0, 1, 1], # CD
[0, 0, 0, 1] # D
]
'''
驱动电机旋转指定步数
:param steps: 正数=顺时针，负数=逆时针
:param delay_ms: 步间延时(ms)，控制转速
'''
def step_motor(steps, delay_ms=1):
direction = 1 if steps >=0 else -1
for _ in range(abs(steps)):
for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
coil.value(state)
utime.sleep_ms(delay_ms)
# 旋转角度控制
def rotate_angle(angle):
steps_per_rev = 509
steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
step_motor(steps)
# 释放电机扭矩
def release():
for coil in coils:
coil.value(0)
while True:
#rotate_angle(1) # 以单步方式持续转动
rotate_angle(180) # 逆时针
release()
utime.sleep_ms(2000)
rotate_angle(-90) # 顺时针
release()
utime.sleep_ms(2000)
效果
由供电处的电压-电流计量工具可知，步进电机旋转工作时的功率约为 1W
串口自定义角度
在实现步进电机旋转驱动的基础上，进一步实现串口发送自定义角度并旋转的功能设计方案。
硬件连接- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP4 ---- IN3 (ULN2003)
- GP5 ---- IN4 (ULN2003)
- GP8 ---- RXD (CH340)
- GP9 ---- TXD (CH340)
代码
'''
Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial
Version: v1.0
Date: 2025.05
Author: ljl
Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART.
Hardware connect:
0 ---- IN1 (ULN2003)
1 ---- IN2 (ULN2003)
4 ---- IN3 (ULN2003)
5 ---- IN4 (ULN2003)
8 ---- RXD (CH340)
9 ---- TXD (CH340)
'''
from machine import Pin, UART
import utime
import ujson
# 电机控制引脚
coils = [
Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
Pin(4, Pin.OUT), # C相 (IN3)
Pin(5, Pin.OUT) # D相 (IN4)
]
# 四相八拍步进电机的相序
STEP_SEQ = [
[1, 0, 0, 1], # AB'
[1, 0, 0, 0], # A
[1, 1, 0, 0], # AB
[0, 1, 0, 0], # B
[0, 1, 1, 0], # BC
[0, 0, 1, 0], # C
[0, 0, 1, 1], # CD
[0, 0, 0, 1] # D
]
# 驱动电机旋转指定步数；delay_ms 步间延时(ms)，控制转速
def step_motor(steps, delay_ms=1):
direction = 1 if steps >=0 else -1
for _ in range(abs(steps)):
for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
coil.value(state)
utime.sleep_ms(delay_ms)
# 角度控制
def rotate_angle(angle):
steps_per_rev = 509
steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
step_motor(steps)
# 释放电机扭矩
def release():
for coil in coils:
coil.value(0)
# 串口控制旋转角度
def uart_control():
uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
while True:
if uart.any():
cmd = uart.read()
try:
data = ujson.loads(cmd)
rotate_angle(int(data['angle']))
release()
except:
uart.write('Invalid command\r\n')
release()
else:
release()
utime.sleep_ms(100)
# main loop
while True:
uart_control()
这里为了节能并提高效率，仅在串口发送正确指令时旋转，其他情况均释放步进电机扭矩，此时电流约为 0 .
效果
由于调用了 ujson 库，因此串口发送指令需符合 json 格式，如 {"angle":40} .
若串口发送 json 消息的格式错误，则反馈指令无效的提示。
OLED 显示旋转状态
在前面实现步进电机旋转驱动、串口自定义角度控制的基础上，进一步实现串口发送角度、旋转、OLED 状态显示的功能设计方案。
硬件连接
- GP0 ---- IN1 (ULN2003)
- GP1 ---- IN2 (ULN2003)
- GP18 ---- IN3 (ULN2003)
- GP19 ---- IN4 (ULN2003)
- GP8 ---- RXD (CH340)
- GP9 ---- TXD (CH340)
- GP4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
- GP5 ---- SCL (OLED_SSD1306)
流程图
代码
'''
Name: Stepper Motor rotate custom angle from serial and OLED display
Version: v1.0
Date: 2025.05
Author: ljl
Other: Rotate stepper motor (28byj-48) for custom angle from UART, and OLED display the motor state in moving or steady.
Hardware connect:
0 ---- IN1 (ULN2003)
1 ---- IN2 (ULN2003)
18 ---- IN3 (ULN2003)
19 ---- IN4 (ULN2003)
8 ---- RXD (CH340)
9 ---- TXD (CH340)
4 ---- SDA (OLED_SSD1306)
5 ---- SCL (OLED_SSD1306)
Serial send style: {"angle": 40}
'''
from machine import Pin, UART, SoftI2C
import ssd1306 # OLED
import ujson # read uart string
import utime
# ==== Initialized IIC OLED ====
i2c = SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
oled_width = 128
oled_height = 64
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)
# display the motor state
def display_motor(angle,state):
oled.fill(0) # 清屏
oled.text("Rotate Angle: ", 0, 0)
oled.text("{:.1f} deg".format(angle), 20, 15)
oled.text("State: ", 0, 35)
if state == 1:
oled.text("Rotating ...", 20, 50)
elif state == 0:
oled.text("Reset", 20, 50)
else:
oled.text("Error", 20, 50)
oled.show()
# 电机控制引脚
coils = [
Pin(0, Pin.OUT), # A相 (IN1)
Pin(1, Pin.OUT), # B相 (IN2)
Pin(18, Pin.OUT), # C相 (IN3)
Pin(19, Pin.OUT) # D相 (IN4)
]
# 四相八拍步进电机的相序
STEP_SEQ = [
[1, 0, 0, 1], # AB'
[1, 0, 0, 0], # A
[1, 1, 0, 0], # AB
[0, 1, 0, 0], # B
[0, 1, 1, 0], # BC
[0, 0, 1, 0], # C
[0, 0, 1, 1], # CD
[0, 0, 0, 1] # D
]
# 驱动电机旋转指定步数；delay_ms 步间延时(ms)，控制转速
def step_motor(steps, delay_ms=1):
direction = 1 if steps >=0 else -1
for _ in range(abs(steps)):
for phase in range(8)[::direction]: # 方向控制
for coil, state in zip(coils, STEP_SEQ[phase]):
coil.value(state)
utime.sleep_ms(delay_ms)
# 角度控制
def rotate_angle(angle):
steps_per_rev = 509 # 64步/拍 × 8拍 × 8相位
steps = int(angle * (steps_per_rev / 360))
step_motor(steps)
# 释放电机扭矩
def release():
for coil in coils:
coil.value(0)
# 串口控制旋转角度
def uart_control():
uart = machine.UART(1, baudrate=9600, tx=Pin(8), rx=Pin(9))
while True:
if uart.any():
cmd = uart.read()
try:
data = ujson.loads(cmd)
ra = float(data['angle']) # rotate angle
display_motor(ra,1)
rotate_angle(ra)
release()
display_motor(ra,0)
except:
uart.write('Invalid command\r\n')
release()
else:
release()
#display_motor(0,0)
utime.sleep_ms(100)
# main loop
display_motor(0,0) # initialize OLED display
while True:
uart_control()
效果
总结
本文介绍了树莓派 RP2350 开发板实现步进电机驱动的项目设计，包括旋转角度的精确控制、串口发送实现自定义角度旋转、OLED 显示旋转状态等，为 RP2350 的开发、设计和应用提供了参考。
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