# Beetle 树莓派RP2350 - 步进电机驱动

<img src="https://img.shields.io/badge/Beetle_RP2350-Step_Motor-Driven"/>

🧭 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。

1. **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。
2. **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

28BYJ-48 是一款适应性强的 5V DC步进电机，设计紧凑，适用于各种应用。

它具有四个相位，速度变化比为1/64，步距角为5.625°/64步，允许精确控制。

电机在100Hz频率下工作，在25°C时的直流电阻为50Ω ±7%。

它的空载牵引频率大于600Hz，空载脱离频率超过1000Hz，确保在不同场景下的可靠性。

28BYJ-48 在 120Hz 时的自定位转矩和牵引转矩均超过 34.3mN.m，提供强劲性能。

其摩擦转矩范围为600到1200 gf.cm，而拉入转矩为300 gf.cm。

| 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](https://www.mouser.com/datasheet/2/758/stepd-01-data-sheet-1143075.pdf) .

### 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。

[](https://ppmm.org/image/wrZpv)

#### 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](https://www.ti.com.cn/product/cn/ULN2003A) .

### 项目方案

⌛🔁⏳ 具体执行方案和工程测试流程如下

1. 步进电机原理 🚀
2. 旋转角度的精确控制 🛰️
3. 串口发送实现自定义角度旋转 ✈️
4. OLED 显示旋转状态 🚁

## <b style="background-color:green;color:white;"> #1</b> 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

```python
'''
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/how-to-use-the-stepper-motors-on-raspberry-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

<img src="fig/connect_power_measure.jpg" style="zoom:50%;" />

✨ 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

<img src="fig/step-motor-power-moving.gif" style="zoom:80%;" />

## <b style="background-color:green;color:white;"> #2</b> 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)

<img src="fig/USB2TTL-step-motor-uln2003-connect.jpg" style="zoom:50%;" />

<details>
<summary>硬件连接</summary>
GP0 ---- IN1 (ULN2003)<br>
GP1 ---- IN2 (ULN2003)<br>
GP4 ---- IN3 (ULN2003)<br>
GP5 ---- IN4 (ULN2003)<br>
GP8 ---- RXD (CH340)<br>
GP9 ---- TXD (CH340)
</details>

### 流程图

<img src="fig/flowchart_uart_rotate.jpg" style="zoom:80%;" />

### 代码

```python
'''
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}` .

<img src="fig/step-motor_uart_control.gif" style="zoom:70%;" />

🆗 若串口发送 json 消息的格式错误，则反馈指令无效的提示。

<img src="fig/step-motor_uart_json.jpg" style="zoom:70%;" />

## <b style="background-color:green;color:white;"> #3</b> 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、<mark>OLED 状态显示</mark>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)

<img src="fig/oled-step-motor-usb2ttl-uln2003-board-connect.jpg" style="zoom:50%;" />

### 流程图

<img src="fig/flowchart_uart_oled_rotate.jpg" style="zoom:80%;" />

### 代码

```python
'''
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

<img src="fig/step_motor_oled_reset.jpg" style="zoom:50%;" />

动态

<img src="fig/oled_step-motor_moving.gif" style="zoom:90%;" />

视频

<video src='video/oled-display-rotate-state.mp4' width=350 height=200></video>

## 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。