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目錄
一、硬件系統設計
1.1 器件清單
1.2 接線方案
1.3 硬件連接圖
1.4 實物接線圖
二、軟件架構設計
2.1 庫文件及初始化
2.2 電壓校準算法
2.3 狀態機按鍵處理
2.4 電位器模擬值處理
2.5 完整代碼
三、操作過程及展示
3.1 系統連接
3.2 校準測試
3.3?功能驗證
四、控制系統模塊詳解
4.1?ULN2003AN驅動芯片
4.2?28BYJ-48步進電機
五、常見問題解答
Q1: 電位器控制不線性如何調整？
Q2: 顯示屏顯示異常怎么辦？
Q3: 按鍵無響應如何解決？
Q4: 電機振動大且噪音明顯？
（1）項目概述
????????本項目基于STM32F407VET6零知標準板開發了一套完整的步進電機智能控制系統，通過電位器實現精確的速度控制，按鍵控制方向切換，并配備1.3寸TFT顯示屏實時顯示系統狀態。系統采用ULN2003AN驅動芯片控制28BYJ-48步進電機，實現了平滑的速度調節和精準的位置控制。
（2）項目亮點
? ? ? ? >自動識別電位器有效電壓范圍（3.4V-4.0V），實現線性速度映射
? ? ? ? >采用狀態機設計，確保按鍵響應穩定可靠
? ? ? ? >1.3寸TFT顯示屏提供豐富的狀態信息顯示
? ? ? ? >指數曲線速度映射算法，低速控制更精準
（3）項目難點及解決方案
? ? ? ? 問題描述：電位器在3.4-4.0V范圍內電機才轉動
解決方案：
????????實現電壓范圍重新映射算法，通過校準參數自適應不同電位器特性
? ? ? ? 問題描述：28BYJ-48步進電機在低速時扭矩不足
解決方案：
????????設置最小啟動速度(MIN_SPEED)，并采用指數曲線速度映射
一、硬件系統設計
1.1 器件清單
| 規格型號 | 數量 | 備注 |
|---|---|---|
| 零知增強板 | 1 | STM32F407VET6主控芯片 |
| 28BYJ-48 | 1 | 5V減速步進電機 |
| ULN2003AN驅動板 | 1 | 達林頓管陣列驅動 |
| 1.3寸TFT LCD (ST7789) | 1 | 240×240分辨率 |
| 10KΩ旋轉電位器 | 1 | 線性電位器 |
| 6×6mm輕觸開關 | 1 | 常開型 |
| 杜邦線 | 若干 | 母對母、母對公 |
1.2 接線方案
根據代碼定義進行以下接線操作、如需定義為其他引腳請自行修改代碼：
（1）電機驅動部分接線
| 零知增強板引腳 | ULN2003AN驅動板 | 28BYJ-48步進電機 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 8 | IN1 | / | 電機控制 |
| 9 | IN2 | / | 電機控制 |
| 10 | IN3 | / | 電機控制 |
| 11 | IN4 | / | 電機控制 |
| / | 排線連接 | 排線連接 | 電機驅動 |
| 5V(外部) | + | / | 電機電源 |
| GND | - | / | 電機地線 |
（2）ST7789顯示屏接線
| 零知增強板引腳 | ST7789引腳 | 功能 |
|---|---|---|
| 3.3V | VCC | 電源 |
| GND | GND | 地 |
| 7 | CS | 片選 |
| 6 | DC | 數據/命令控制 |
| 5 | RES | 復位 |
| 12 | SDA | SPI數據線 |
| 13 | SCL | SPI時鐘線 |
（3）電機操作部分接線
| 零知增強板引腳 | 電位器 | 按鍵 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 5V | 左側引腳 | / | 供電 |
| GND | 右側引腳 | / | 地線 |
| A0 | 中間引腳 | / | 信號輸入 |
| 2 | / | 高電平一端 | 信號輸入，內部上拉 |
? ? ? ? ps：電機需要消耗大量電力，最好直接從外部 5V 電源供電
1.3 硬件連接圖
1.4 實物接線圖
二、軟件架構設計
2.1 庫文件及初始化
// 主要庫文件引入
#include <AccelStepper.h> // 步進電機控制庫
#include <Adafruit_GFX.h> // 圖形顯示庫
#include <Adafruit_ST7789.h> // ST7789顯示屏驅動
#include <SPI.h> // SPI通信庫#define TFT_CS 7 // 顯示屏片選
#define TFT_SCL 13 // 顯示屏時鐘
#define TFT_SDA 12 // 顯示屏數據
#define TFT_DC 6 // 顯示屏數據/命令
#define TFT_RST 5 // 顯示屏復位
#define BUTTON_PIN 2 // 按鍵引腳（內部上拉）
#define POT_PIN A0 // 電位器模擬輸入2.2 電壓校準算法
// 電壓校準參數 - 關鍵創新點
#define POT_MIN_VOLTAGE 3.4 // 電機啟動最小電壓
#define POT_MAX_VOLTAGE 4.0 // 電機最大速度電壓// 計算對應的ADC值范圍
#define POT_MIN_ADC (int)((POT_MIN_VOLTAGE / 5.0) * 1023)
#define POT_MAX_ADC (int)((POT_MAX_VOLTAGE / 5.0) * 1023)// 速度映射函數
if (potValue <= POT_MIN_ADC) {targetSpeed = 0; // 低于最小電壓停止
} else if (potValue >= POT_MAX_ADC) {targetSpeed = MAX_SPEED; // 高于最大電壓全速
} else {// 線性映射計算targetSpeed = map(potValue, POT_MIN_ADC, POT_MAX_ADC, MIN_SPEED, MAX_SPEED);
}2.3 狀態機按鍵處理
// 按鍵狀態枚舉
enum ButtonState { IDLE, PRESSED, DEBOUNCING };
ButtonState buttonState = IDLE;void handleButton() {int buttonReading = digitalRead(BUTTON_PIN);switch (buttonState) {case IDLE:if (buttonReading == LOW) {buttonState = DEBOUNCING;lastButtonTime = millis();}break;// ... 狀態處理邏輯}
}2.4 電位器模擬值處理
void handlePotentiometer() {// 讀取電位器值int potValue = analogRead(POT_PIN);// 只有當電位器值顯著變化時才處理if (abs(potValue - lastPotValue) > 3) {lastPotValue = potValue;if (DEBUG_MODE && millis() % 500 < 10) {float voltage = (float)potValue / 1023.0 * ADC_REF_VOLTAGE;Serial.print("Pot ADC: ");Serial.print(potValue);Serial.print(" | Voltage: ");Serial.print(voltage);Serial.print("V");}// 重新映射電位器值到速度范圍if (potValue <= POT_MIN_ADC) {// 低于最小電壓，電機停止targetSpeed = 0;} else if (potValue >= POT_MAX_ADC) {// 高于最大電壓，電機全速運行targetSpeed = MAX_SPEED;} else {// 在有效范圍內線性映射targetSpeed = map(potValue, POT_MIN_ADC, POT_MAX_ADC, MIN_SPEED, MAX_SPEED);}if (DEBUG_MODE && millis() % 500 < 10) {Serial.print(" | Target Speed: ");Serial.println(targetSpeed);}// 平滑調整當前速度到目標速度if (abs(targetSpeed - currentSpeed) > SPEED_RAMP_RATE) {if (targetSpeed > currentSpeed) {currentSpeed += SPEED_RAMP_RATE;} else {currentSpeed -= SPEED_RAMP_RATE;}} else {currentSpeed = targetSpeed;}// 更新速度顯示updateSpeedDisplay();}
}
2.5 完整代碼
// Include the necessary libraries
#include <AccelStepper.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7789.h>
#include <SPI.h>// Define step constant
#define MotorInterfaceType 8// Display pins
#define TFT_CS 7
#define TFT_SCL 13
#define TFT_SDA 12
#define TFT_DC 6
#define TFT_RST 5// Button pin
#define BUTTON_PIN 2// Potentiometer pin
#define POT_PIN A0// Creates motor instance
AccelStepper myStepper(MotorInterfaceType, 8, 10, 9, 11);// Creates display instance with updated pin configuration
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_SDA, TFT_SCL, TFT_RST);// Variables for control
int motorDirection = 1; // 1 for forward, -1 for reverse
int currentSpeed = 0;
int targetSpeed = 0;
bool motorRunning = false;
int lastPotValue = 0;// Button state machine variables
enum ButtonState { IDLE, PRESSED, DEBOUNCING };
ButtonState buttonState = IDLE;
unsigned long lastButtonTime = 0;
#define DEBOUNCE_DELAY 50// UI layout constants
#define TITLE_Y 15
#define DIRECTION_Y 60
#define SPEED_Y 90
#define POSITION_Y 120
#define STATE_Y 150
#define INFO_Y 180
#define VALUE_X 130// Speed control parameters
#define MIN_SPEED 0 // 最小速度
#define MAX_SPEED 800 // 最大速度
#define SPEED_RAMP_RATE 10 // 速度變化率// 電位器校準參數 - 根據您的測量結果調整這些值
#define POT_MIN_VOLTAGE 3.4 // 電機開始轉動的最小電壓
#define POT_MAX_VOLTAGE 4.0 // 電機達到最大速度的電壓
#define ADC_REF_VOLTAGE 5.0 // ADC參考電壓// 計算對應的模擬值范圍
#define POT_MIN_ADC (int)((POT_MIN_VOLTAGE / ADC_REF_VOLTAGE) * 1023)
#define POT_MAX_ADC (int)((POT_MAX_VOLTAGE / ADC_REF_VOLTAGE) * 1023)// 調試模式
#define DEBUG_MODE truevoid setup() {// 初始化串口（用于調試）if (DEBUG_MODE) {Serial.begin(115200);Serial.println("System initialized");Serial.print("POT_MIN_ADC: ");Serial.println(POT_MIN_ADC);Serial.print("POT_MAX_ADC: ");Serial.println(POT_MAX_ADC);}// 初始化顯示屏tft.init(240, 240);tft.setRotation(1);tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);// 初始化按鈕pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);// 初始化電機myStepper.setMaxSpeed(MAX_SPEED);myStepper.setAcceleration(500.0);myStepper.setSpeed(0);// 繪制UIdrawUI();
}void loop() {// 處理按鈕狀態機handleButton();// 讀取電位器值并設置速度handlePotentiometer();// 運行電機runMotor();// 定期更新顯示static unsigned long lastUpdate = 0;if (millis() - lastUpdate > 100) {updatePositionDisplay();updateStateDisplay();lastUpdate = millis();}
}void handleButton() {int buttonReading = digitalRead(BUTTON_PIN);switch (buttonState) {case IDLE:if (buttonReading == LOW) {buttonState = DEBOUNCING;lastButtonTime = millis();}break;case DEBOUNCING:if (millis() - lastButtonTime > DEBOUNCE_DELAY) {if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {buttonState = PRESSED;// 按鈕動作 - 改變方向motorDirection = -motorDirection;updateDirectionDisplay();if (DEBUG_MODE) {Serial.print("Direction changed to: ");Serial.println(motorDirection > 0 ? "FORWARD" : "REVERSE");}} else {buttonState = IDLE;}}break;case PRESSED:if (buttonReading == HIGH) {buttonState = IDLE;}break;}
}void handlePotentiometer() {// 讀取電位器值int potValue = analogRead(POT_PIN);// 只有當電位器值顯著變化時才處理if (abs(potValue - lastPotValue) > 3) {lastPotValue = potValue;if (DEBUG_MODE && millis() % 500 < 10) {float voltage = (float)potValue / 1023.0 * ADC_REF_VOLTAGE;Serial.print("Pot ADC: ");Serial.print(potValue);Serial.print(" | Voltage: ");Serial.print(voltage);Serial.print("V");}// 重新映射電位器值到速度范圍if (potValue <= POT_MIN_ADC) {// 低于最小電壓，電機停止targetSpeed = 0;} else if (potValue >= POT_MAX_ADC) {// 高于最大電壓，電機全速運行targetSpeed = MAX_SPEED;} else {// 在有效范圍內線性映射targetSpeed = map(potValue, POT_MIN_ADC, POT_MAX_ADC, MIN_SPEED, MAX_SPEED);}if (DEBUG_MODE && millis() % 500 < 10) {Serial.print(" | Target Speed: ");Serial.println(targetSpeed);}// 平滑調整當前速度到目標速度if (abs(targetSpeed - currentSpeed) > SPEED_RAMP_RATE) {if (targetSpeed > currentSpeed) {currentSpeed += SPEED_RAMP_RATE;} else {currentSpeed -= SPEED_RAMP_RATE;}} else {currentSpeed = targetSpeed;}// 更新速度顯示updateSpeedDisplay();}
}void runMotor() {// 設置電機速度和方向int effectiveSpeed = motorDirection * currentSpeed;myStepper.setSpeed(effectiveSpeed);// 運行電機myStepper.runSpeed();motorRunning = (currentSpeed > 0);
}void drawUI() {// 清屏tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);// 繪制帶裝飾線的標題tft.drawFastHLine(0, 30, 240, ST77XX_WHITE);tft.setCursor(40, TITLE_Y);tft.setTextSize(3);tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);tft.println("MOTOR CTRL");// 繪制標簽tft.setTextSize(2);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setCursor(20, DIRECTION_Y);tft.println("Direction:");tft.setCursor(20, SPEED_Y);tft.println("Speed:");tft.setCursor(20, POSITION_Y);tft.println("Position:");tft.setCursor(20, STATE_Y);tft.println("Status:");// 繪制校準信息tft.setTextSize(1);tft.setCursor(10, INFO_Y);tft.print("Calib: ");tft.print(POT_MIN_VOLTAGE, 1);tft.print("V-");tft.print(POT_MAX_VOLTAGE, 1);tft.print("V (");tft.print(POT_MIN_ADC);tft.print("-");tft.print(POT_MAX_ADC);tft.print(")");// 繪制控制說明tft.setCursor(10, INFO_Y + 15);tft.println("Button: Direction | Pot: Speed");// 繪制初始值updateDirectionDisplay();updateSpeedDisplay();updatePositionDisplay();updateStateDisplay();
}void updateDirectionDisplay() {tft.fillRect(VALUE_X, DIRECTION_Y, 100, 20, ST77XX_BLACK);tft.setCursor(VALUE_X, DIRECTION_Y);tft.setTextSize(2);if (motorDirection > 0) {tft.setTextColor(ST77XX_GREEN);tft.print("FORWARD");} else {tft.setTextColor(ST77XX_RED);tft.print("REVERSE");}
}void updateSpeedDisplay() {tft.fillRect(VALUE_X, SPEED_Y, 100, 20, ST77XX_BLACK);tft.setCursor(VALUE_X, SPEED_Y);tft.setTextSize(2);tft.setTextColor(ST77XX_CYAN);tft.print(currentSpeed);tft.print(" step/s");
}void updatePositionDisplay() {tft.fillRect(VALUE_X, POSITION_Y, 100, 20, ST77XX_BLACK);tft.setCursor(VALUE_X, POSITION_Y);tft.setTextSize(2);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print(myStepper.currentPosition());
}void updateStateDisplay() {tft.fillRect(VALUE_X, STATE_Y, 100, 20, ST77XX_BLACK);tft.setCursor(VALUE_X, STATE_Y);tft.setTextSize(2);if (motorRunning) {tft.setTextColor(ST77XX_GREEN);tft.print("RUNNING");} else {tft.setTextColor(ST77XX_RED);tft.print("STOPPED");}
}
? ? ? ? 如圖所示，步進電機控制系統的工作流程圖
三、操作過程及展示
3.1 系統連接
????????將ULN2003AN驅動板接入5~12V外部電源，連接28BYJ-48電機到驅動板輸出端，按照接線表連接零知增強板與各模塊，確保所有電源正確連接后上電
3.2 校準測試
（1）上傳代碼到零知IDE的零知增強板
（2）旋轉電位器，觀察電機響應
（3）根據實際電壓范圍調整校準參數
（4）測試按鍵功能，確認方向切換正常
3.3 視頻演示驗證
ULN2003AN驅動28BYJ-48步進電機控制系統
????????緩慢旋轉電位器，觀察速度線性增加。按下按鍵，驗證方向切換功能。電位器逆時針旋轉到底，確認電機停止
四、控制系統模塊詳解
4.1?ULN2003AN驅動芯片
（1）功能說明
????????ULN2003AN是高壓大電流達林頓晶體管陣列，包含7個NPN達林頓對管，每個可驅動500mA和50V負載。在本項目中用于驅動28BYJ-48步進電機的四相繞組。
????????該板具有四個控制輸入接口和一個電源接口，還配備了一個與電機連接器相兼容的 Molex 連接器，可直接插入電機。同時，板上設有四個 LED，用于顯示四條控制輸入線上的活動狀態，并且帶有一個開 / 關跳線，以便在需要時禁用步進電機。
（2）工作流程
????????接收MCU發出的控制信號、通過達林頓管放大電流、驅動步進電機各相繞組、提供反向電動勢保護二極管
4.2?28BYJ-48步進電機
（1）工作原理
????????基于齒輪與電磁鐵的協同作用，通過一次推動輪子一個 “步” 來實現運動
????????向線圈發送高脈沖時，線圈會通電，進而吸引最靠近齒輪的齒，使電機以精確且固定的角度增量（即步長）旋轉。其 360 度旋轉的步數取決于齒輪上的齒數
(2)引腳排列
????????28BYJ-48 步進電機有五根線。引腳排列如下：
????????28BYJ-48 包含兩個線圈，每個線圈都設有一個中心抽頭，這兩個中心抽頭在電機內部相連，并通過紅線引出。
????????而線圈的一端與中心抽頭共同構成一相，所以 28BYJ-48 總共有四相：
????????紅線始終拉高，因此當另一根引線拉低時，該相通電。
????????僅當各相按稱為步進順序的邏輯順序通電時，步進電機才會旋轉。
（3）齒輪減速比
????????依據數據表，28BYJ-48 步進電機在全步模式下運行時，每一步對應的旋轉角度為 11.25°，由此可算出每完成 360° 旋轉需要 32 步（360°÷11.25°=32）
????????該電機配備了 1/64 的減速齒輪組（實際減速比為 1/63.68395，不過在多數情況下，1/64 的近似值已能滿足需求）。
????????這也就意味著，電機實際完成一圈旋轉需要約 2038 步（32 步 / 轉 ×63.68395≈2037.8864 步，近似為 2038 步）。
（4）能量消耗
????????28BYJ-48 步進電機的典型電流消耗約為 240mA。
????????由于其耗電量較大，因此建議直接采用外部 5V 電源供電，而非通過 零知增強板供電。
????????需要注意的是，即便處于靜止狀態，該電機也會消耗功率以維持當前位置。
（5）技術規格
| 工作電壓 | 5VDC |
| 工作電流 | 240mA（典型值） |
| 相數 | 4 |
| 齒輪減速比 | 64:1 |
| 步距角 | 5.625°/64 |
| 頻率 | 100赫茲 |
| 牽引扭矩 | >34.3mN.m(120Hz) |
| 自定位扭矩 | >34.3mN.m |
| 摩擦力矩 | 600-1200 克力·厘米 |
| 拉入扭矩 | 300 克力.厘米 |
五、常見問題解答
Q1: 電位器控制不線性如何調整？
????????A：修改代碼中的
POT_MIN_VOLTAGE和POT_MAX_VOLTAGE參數，匹配實際電壓范圍。
Q2: 顯示屏顯示異常怎么辦？
????????A：檢查SPI接線是否正確，確認CS、DC、RST引腳定義與代碼一致。
Q3: 按鍵無響應如何解決？
????????A：確認按鍵是否正確連接到GND和引腳2，檢查內部上拉電阻是否啟用。
Q4: 電機振動大且噪音明顯？
????????A：降低MAX_SPEED值，或增加加速度參數，使速度變化更平滑。
項目資源：
? ? ? ? 步進電機數據表：28BYJ-48 數據表
? ? ? ? 庫文件依賴：AccelStepper 庫
????????本項目成功實現了一套基于零知標準板的智能步進電機控制系統，希望能為您的嵌入式學習和開發提供有價值的參考！
