【上海晶珩睿莓1开发板试用体验】物联网窗帘——步进电机的网络远程控制

本文介绍了上海晶珩睿莓 1 开发板通过 GPIO 配置实现步进电机驱动，并进一步结合 HTTP 网络协议和板载无线模块，实现 Web 网页精确控制步进电机的旋转角度和速度，进而实现物联网窗帘的项目设计。

包括项目介绍、硬件连接、工程测试、网页设计和效果展示等部分。

项目介绍

• 硬件连接：步进电机驱动板和开发板对应引脚的连接方式等；
• 工程测试：驱动和控制步进电机，包括流程图、python 代码、转动控制效果等；
• 网页设计：通过调用 Flask 库实现网页控制终端设计，包括流程图、代码、网页设计等；
• 效果演示：包括步进电机的驱动和控制、旋转角度和速度控制、网页控制等。

硬件连接

步进电机与开发板连接方式如下

终端执行 gpioinfo 指令，获取可用的 GPIO 引脚

根据引脚复用表可知，对应 BCM 排针引脚编号如下

结合树莓派 40 pin 引脚定义，完成相应接线即可。

实物连接

工程测试

包括流程图、代码、效果等。

流程图

代码

终端执行 touch stepper_motor_run.py 新建文件，并添加如下代码

import subprocess
import time

# GPIO芯片编号
GPIO_CHIP = "0"

# 定义步进电机的四个相线对应的GPIO引脚
MOTOR_PIN_1 = "83"
MOTOR_PIN_2 = "82" 
MOTOR_PIN_3 = "81"
MOTOR_PIN_4 = "80"

# 优化后的四相八拍步序表（确保正确的励磁顺序）
STEP_SEQUENCE = [
    [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
]

# 批量设置GPIO引脚状态（优化性能）
def set_gpios_bulk(pin_states):
    """批量设置GPIO引脚状态"""
    try:
        cmd = ["gpioset", GPIO_CHIP]
        for pin, state in pin_states:
            cmd.append(f"{pin}={state}")
        
        subprocess.run(
            cmd,
            check=True,
            stderr=subprocess.PIPE,
            stdout=subprocess.DEVNULL
        )
        return True
    except subprocess.CalledProcessError as e:
        print(f"GPIO控制错误: {e.stderr.decode().strip()}")
        return False
    except Exception as e:
        print(f"设置GPIO时发生错误: {e}")
        return False

# 设置所有电机引脚为低电平
def reset_motor_pins():
    """重置所有电机引脚为低电平"""
    set_gpios_bulk([
        (MOTOR_PIN_1, 0),
        (MOTOR_PIN_2, 0),
        (MOTOR_PIN_3, 0),
        (MOTOR_PIN_4, 0)
    ])

# 执行单步（带速度控制）
def step_motor_controlled(step, delay_ms=5):
    """执行一步电机转动，带可控延迟"""
    # 批量设置四个引脚状态
    success = set_gpios_bulk([
        (MOTOR_PIN_1, step[0]),
        (MOTOR_PIN_2, step[1]),
        (MOTOR_PIN_3, step[2]),
        (MOTOR_PIN_4, step[3])
    ])
    
    if success and delay_ms > 0:
        time.sleep(delay_ms / 1000.0)  # 转换为秒

# 简单旋转函数（固定速度）
def rotate_angle_simple(angle, direction="cw", delay_ms=5):
    """简单旋转函数，固定速度"""
    STEPS_PER_REV = 4096
    steps = int(abs(angle) / 360 * STEPS_PER_REV)
    sequence = STEP_SEQUENCE if direction == "cw" else list(reversed(STEP_SEQUENCE))
    
    for i in range(steps):
        step_index = i % len(sequence)
        step_motor_controlled(sequence[step_index], delay_ms)
    
    reset_motor_pins()

# 初始化GPIO
def setup_gpio():
    """初始化GPIO引脚"""
    reset_motor_pins()
    print("GPIO初始化完成")

# 主程序
if __name__ == "__main__":
    try:
        setup_gpio()
        
        print("开始步进电机测试...")
        print("注意：如果电机不转，请检查电源和接线")
        print("顺时针旋转测试")
        rotate_angle_simple(90, "cw", 0.1)
        reset_motor_pins()
        time.sleep(1)

        print("逆时针旋转测试")
        rotate_angle_simple(90, "ccw", 0.1)
        time.sleep(1)
        
        print("\n所有测试完成！")
        
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n程序被用户中断")
    except Exception as e:
        print(f"发生异常: {e}")
        import traceback
        traceback.print_exc()
    finally:
        reset_motor_pins()
        print("程序结束，电机已停止")

保存代码。

效果

终端执行如下指令，运行步进电机驱动程序

python stepper_motor_run.py

步进电机旋转，同时终端输出相应的测试状态

动态效果见顶部视频。

网页控制终端

包括流程图、代码、效果演示等。

流程图

代码

终端执行 touch stepper_motor_http.py 新建文件，并添加如下代码

import subprocess
import time
import threading
from flask import Flask, render_template_string, request, jsonify

# Flask应用
app = Flask(__name__)

# GPIO芯片编号
GPIO_CHIP = "0"

# 定义步进电机的四个相线对应的GPIO引脚
MOTOR_PIN_1 = "83"
MOTOR_PIN_2 = "82"
MOTOR_PIN_3 = "81"
MOTOR_PIN_4 = "80"

# 四相八拍步序表
STEP_SEQUENCE = [
    [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
]

REVERSE_STEP_SEQUENCE = list(reversed(STEP_SEQUENCE))
STEPS_PER_REVOLUTION = 4096

# 全局状态
is_moving = False
current_task = None

# 设置GPIO引脚状态
def set_gpio(pin, state):
    """设置GPIO引脚状态"""
    try:
        subprocess.run(
            ["gpioset", GPIO_CHIP, f"{pin}={state}"],
            check=True,
            stderr=subprocess.PIPE,
            stdout=subprocess.DEVNULL
        )
        return True
    except subprocess.CalledProcessError as e:
        print(f"错误：无法控制 GPIO {pin} (详细: {e.stderr.decode().strip()})")
        return False
    except Exception as e:
        print(f"设置GPIO时发生错误: {e}")
        return False

# 设置所有电机引脚为低电平
def reset_motor_pins():
    """重置所有电机引脚为低电平"""
    for pin in [MOTOR_PIN_1, MOTOR_PIN_2, MOTOR_PIN_3, MOTOR_PIN_4]:
        set_gpio(pin, 0)

# 执行一步
def step_motor(step, delay=0.001):
    """执行一步电机转动"""
    set_gpio(MOTOR_PIN_1, step[0])
    set_gpio(MOTOR_PIN_2, step[1])
    set_gpio(MOTOR_PIN_3, step[2])
    set_gpio(MOTOR_PIN_4, step[3])
    time.sleep(delay)

# 速度映射函数（速度1-10转换为延迟时间）
def speed_to_delay(speed_level):
    """将速度等级1-10转换为延迟时间"""
    # 速度1最慢(0.01s)，速度10最快(0.001s)
    return 0.01 - (speed_level - 1) * 0.00099

# 旋转指定角度（线程安全版本）
def rotate_angle_thread(angle, speed_level=5, direction="cw"):
    """在单独线程中旋转指定角度"""
    global is_moving
    
    if is_moving:
        return False
    
    is_moving = True
    try:
        delay = speed_to_delay(speed_level)
        steps = int((angle / 360) * STEPS_PER_REVOLUTION)
        sequence = STEP_SEQUENCE if direction == "cw" else REVERSE_STEP_SEQUENCE
        
        print(f"开始旋转: {angle}度, 方向: {direction}, 速度: {speed_level}, 延迟: {delay:.4f}s")
        
        for i in range(steps):
            if not is_moving:  # 检查是否被停止
                break
            step_index = i % len(sequence)
            step_motor(sequence[step_index], delay)
        
        reset_motor_pins()
        return True
        
    except Exception as e:
        print(f"旋转过程中出错: {e}")
        return False
    finally:
        is_moving = False

# 停止电机
def stop_motor():
    """停止电机转动"""
    global is_moving
    is_moving = False
    reset_motor_pins()
    print("电机已停止")

# HTML页面模板
HTML_TEMPLATE = '''
<!DOCTYPE html>
<html lang="zh-CN">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>步进电机控制面板</title>
    <style>
        body {
            font-family: Arial, sans-serif;
            max-width: 600px;
            margin: 0 auto;
            padding: 20px;
            background-color: #f5f5f5;
        }
        .container {
            background: white;
            padding: 20px;
            border-radius: 10px;
            box-shadow: 0 2px 10px rgba(0,0,0,0.1);
        }
        h1 {
            color: #333;
            text-align: center;
        }
        .control-group {
            margin: 15px 0;
        }
        label {
            display: block;
            margin-bottom: 5px;
            font-weight: bold;
        }
        input[type="number"], select {
            width: 100%;
            padding: 10px;
            border: 1px solid #ddd;
            border-radius: 5px;
            font-size: 16px;
        }
        .speed-slider {
            width: 100%;
            margin: 10px 0;
        }
        .speed-labels {
            display: flex;
            justify-content: space-between;
            margin-top: 5px;
        }
        .btn {
            width: 100%;
            padding: 12px;
            margin: 5px 0;
            border: none;
            border-radius: 5px;
            font-size: 16px;
            cursor: pointer;
            transition: background-color 0.3s;
        }
        .btn-primary {
            background-color: #007bff;
            color: white;
        }
        .btn-secondary {
            background-color: #6c757d;
            color: white;
        }
        .btn-danger {
            background-color: #dc3545;
            color: white;
        }
        .btn:disabled {
            background-color: #ccc;
            cursor: not-allowed;
        }
        .status {
            margin-top: 20px;
            padding: 10px;
            border-radius: 5px;
            text-align: center;
        }
        .status-moving {
            background-color: #d4edda;
            color: #155724;
        }
        .status-stopped {
            background-color: #f8d7da;
            color: #721c24;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <div class="container">
        <h1>步进电机控制面板</h1>
        
        <div class="control-group">
            <label for="angle">旋转角度 (度):</label>
            <input type="number" id="angle" min="1" max="3600" value="90">
        </div>
        
        <div class="control-group">
            <label for="direction">旋转方向:</label>
            <select id="direction">
                <option value="cw">顺时针</option>
                <option value="ccw">逆时针</option>
            </select>
        </div>
        
        <div class="control-group">
            <label>速度控制 (1-10):</label>
            <input type="range" id="speed" class="speed-slider" min="1" max="10" value="5">
            <div class="speed-labels">
                <span>1 (慢)</span>
                <span>5</span>
                <span>10 (快)</span>
            </div>
        </div>
        
        <div class="control-group">
            <button class="btn btn-primary" onclick="rotateMotor()">开始旋转</button>
            <button class="btn btn-danger" onclick="stopMotor()">停止电机</button>
            <button class="btn btn-secondary" onclick="rotateFixed(90)">旋转90°</button>
            <button class="btn btn-secondary" onclick="rotateFixed(180)">旋转180°</button>
            <button class="btn btn-secondary" onclick="rotateFixed(360)">旋转360°</button>
        </div>
        
        <div id="status" class="status status-stopped">
            电机状态: 停止
        </div>
    </div>

    <script>
        function updateStatus(moving) {
            const statusDiv = document.getElementById('status');
            if (moving) {
                statusDiv.className = 'status status-moving';
                statusDiv.textContent = '电机状态: 运行中...';
            } else {
                statusDiv.className = 'status status-stopped';
                statusDiv.textContent = '电机状态: 停止';
            }
        }

        function rotateMotor() {
            const angle = document.getElementById('angle').value;
            const direction = document.getElementById('direction').value;
            const speed = document.getElementById('speed').value;
            
            if (!angle || angle <= 0) {
                alert('请输入有效的角度值');
                return;
            }
            
            updateStatus(true);
            
            fetch('/rotate', {
                method: 'POST',
                headers: {
                    'Content-Type': 'application/json',
                },
                body: JSON.stringify({
                    angle: parseFloat(angle),
                    direction: direction,
                    speed: parseInt(speed)
                })
            })
            .then(response => response.json())
            .then(data => {
                if (data.success) {
                    setTimeout(() => updateStatus(false), 1000);
                } else {
                    alert('旋转失败: ' + data.message);
                    updateStatus(false);
                }
            })
            .catch(error => {
                console.error('Error:', error);
                alert('请求失败');
                updateStatus(false);
            });
        }

        function stopMotor() {
            updateStatus(false);
            fetch('/stop', { method: 'POST' })
                .then(response => response.json())
                .then(data => {
                    console.log('停止响应:', data);
                });
        }

        function rotateFixed(angle) {
            document.getElementById('angle').value = angle;
            rotateMotor();
        }

        // 显示当前速度值
        document.getElementById('speed').addEventListener('input', function() {
            const speedValue = this.value;
            const labels = document.querySelectorAll('.speed-labels span');
            labels[1].textContent = speedValue;
        });
    </script>
</body>
</html>
'''

# Flask路由
@app.route('/')
def index():
    """显示控制页面"""
    return render_template_string(HTML_TEMPLATE)

@app.route('/rotate', methods=['POST'])
def rotate():
    """处理旋转请求"""
    global current_task, is_moving
    
    if is_moving:
        return jsonify({'success': False, 'message': '电机正在运行中'})
    
    data = request.get_json()
    angle = data.get('angle', 90)
    direction = data.get('direction', 'cw')
    speed = data.get('speed', 5)
    
    # 验证参数
    if angle <= 0:
        return jsonify({'success': False, 'message': '角度必须大于0'})
    if speed < 1 or speed > 10:
        return jsonify({'success': False, 'message': '速度必须在1-10之间'})
    
    # 在新线程中执行旋转
    def rotate_task():
        rotate_angle_thread(angle, speed, direction)
    
    current_task = threading.Thread(target=rotate_task)
    current_task.daemon = True
    current_task.start()
    
    return jsonify({'success': True, 'message': '开始旋转'})

@app.route('/stop', methods=['POST'])
def stop():
    """处理停止请求"""
    stop_motor()
    return jsonify({'success': True, 'message': '已发送停止指令'})

@app.route('/status')
def status():
    """获取电机状态"""
    return jsonify({'moving': is_moving})

# 初始化函数
def setup_gpio():
    """初始化GPIO引脚"""
    reset_motor_pins()
    print("GPIO引脚初始化完成")

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    try:
        # 初始化GPIO
        setup_gpio()
        print("步进电机控制服务器启动中...")
        print("请在浏览器中访问: http://127.0.0.1:5000")
        
        # 启动Flask应用
        app.run(host='0.0.0.0', port=5000, debug=True, threaded=True)
        
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n服务器关闭中...")
    except Exception as e:
        print(f"启动错误: {e}")
    finally:
        stop_motor()
        print("程序结束")

保存代码。

效果

终端执行如下指令，运行网页步进电机控制程序

python stepper_motor_http.py

终端输出服务器网址、步进电机运行状态等信息。

打开同一局域网内的浏览器软件，输入网页服务器链接 http://192.128.31.109:5000

注意开发版的 IP 地址 192.168.xx.xxx 及端口 5000 ；

• 由此可实现步进电机的网络远程控制；
• 通过手机进入网页，可实现移动端远程控制。

结合机械传动，可实现物联网窗帘的项目设计。

动态效果见底部视频。

总结

本文介绍了上海晶珩睿莓 1 开发板通过 GPIO 配置实现步进电机驱动，并进一步结合 HTTP 网络协议和板载无线模块，实现 Web 网页精确控制步进电机的旋转角度和速度，进而实现物联网窗帘的项目设计，为该产品在物联网、工业和科研等精密控制领域的开发设计和应用提供了参考。