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[讨论] Beetle 树莓派RP2350 - 步进电机驱动

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本帖最后由无垠的广袤于 2025-5-3 04:35 编辑

本文介绍了 DFRobot Beetle 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
- 通过控制器（如单片机）发送脉冲信号，驱动电路按顺序切换定子绕组的电流方向。
- 每切换一次，转子转动一个步距角，连续脉冲使电机连续旋转。

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)

流程图

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)
复制代码

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)

流程图

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()
复制代码

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()
复制代码

效果

动态

总结

本文介绍了 DFRobot Beetle 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 Beetle-RP2350 的开发、设计和应用提供了参考。

----------- 彩蛋 -------------

介绍了 Beetle RP2350 开发板驱动 WS2812B 实现流水灯的项目设计。

WS2812B 流水灯

使用 neopixel 库实现 WS2812B 驱动。

WS2812 简介

WS2812 是一款集成了控制电路和发光电路的智能外控 LED 光源，通常被称为 "NeoPixel"（由 Adafruit 推广）。采用单线通信协议，能够实现全彩控制，广泛应用于 LED 灯带、装饰照明、创意项目等领域。

特点

集成驱动芯片
- WS2812 将 RGB 三色 LED 和控制器集成在一个 5050 封装的芯片内，无需外部驱动电路。
单线控制（单总线协议）
- 仅需 1 根数据线 即可控制多颗 LED，通过特定的时序信号传递颜色和亮度信息，支持级联。
24 位真彩色
- 每个 LED 可独立设置 8 位（256 级）RGB 亮度，组合出约 1600 万种颜色。
响应速度快
- 数据传输速率可达 800Kbps，刷新频率 400Hz，适合动态灯光效果。
低电压供电
- 工作电压：3.3V–5V（推荐 5V），可直接由单片机驱动。
级联能力
- 多个 WS2812 可串联，理论上仅受限于信号传输速度和电源功率。

优势：仅需 1 个 I/O 即可实现彩色灯带效果。

代码

'''
Name: WS2812 flow light by using neopixel
Version: v1.0
Date: 2025.05
Author: ljl
Other: include 3 effects: blink, flow lights and full-color running light.
URL1: https://electrocredible.com/neop ... ry-pi-pico-ws2812b/
URL2: https://blog.csdn.net/jiangge12/article/details/128857863
'''

import neopixel
from machine import Pin
import time

ws_pin = 27
led_num = 8
BRIGHTNESS = 0.05  # Adjust the brightness (0.0 - 1.0)

neoRing = neopixel.NeoPixel(Pin(ws_pin), led_num)

# 定义亮度
def set_brightness(color):
    r, g, b = color
    r = int(r * BRIGHTNESS)
    g = int(g * BRIGHTNESS)
    b = int(b * BRIGHTNESS)
    return (r, g, b)
# -------------------------------------
# 流水灯函数
def color_wipe(color, delay):
    for i in range(led_num):
        neoRing = set_brightness(color)  # 设置当前 LED 的颜色
        neoRing.write()  # 更新 LED 状态
        time.sleep(delay)  # 延时
    for i in range(led_num):
        neoRing = (0, 0, 0)  # 关闭当前 LED
        neoRing.write()  # 更新 LED 状态
        time.sleep(delay)  # 延时
# 定义流水灯循环
def loop_wipe():
    color_wipe((255, 0, 0), 0.1)  # 红色流水灯
    color_wipe((0, 255, 0), 0.1)  # 绿色流水灯
    color_wipe((0, 0, 255), 0.1)  # 蓝色流水灯
# -------------------------------------
# 连续流水灯函数
def color_continue(color, delay):
    for i in range(led_num):
        neoRing = set_brightness(color)  # 设置当前 LED 的颜色
        neoRing.write()  # 更新 LED 状态
        time.sleep(delay)  # 延时
# 定义连续流水灯循环
def loop_continue():
    color_continue((255, 0, 0), 0.1)  # 红色流水灯
    color_continue((0, 255, 0), 0.1)  # 绿色流水灯
    color_continue((0, 0, 255), 0.1)  # 蓝色流水灯
# -------------------------------------
# 定义闪灯循环
def loop():
    # Display red
    color = (255, 0, 0)  # Red color
    color = set_brightness(color)
    neoRing.fill(color)
    neoRing.write()
    time.sleep(0.5)
    # Display green
    color = (0, 255, 0)  # Green color
    color = set_brightness(color)
    neoRing.fill(color)
    neoRing.write()
    time.sleep(0.5)
    # Display blue
    color = (0, 0, 255)  # Blue color
    color = set_brightness(color)
    neoRing.fill(color)
    neoRing.write()
    time.sleep(0.5)

while True:
    #loop()
    #loop_wipe()
    loop_continue()
复制代码