如何通过树莓派的GPIO接口控制步进电机

单片机

如何通过树莓派的GPIO接口控制步进电机

1、实验目的
在树莓派上编写一个C程序，通过其GPIO口控制步进电机的转动方向以及速度。

2、为什么要用树莓派来控制步进电机
在我的概念中，无论是控制接在树莓派上的摄像头来拍照，还是通过树莓派控制LED发光，我都还是在“虚拟世界”中折腾树莓派，因为它没有向外界输出任何动作。而在构建一个稍微复杂的系统时，这种能力可能是很重要的，于是，用树莓派来控制步进电机是我必须要做的事情。

3、实现方案
怎样通过Raspberry Pi的GPIO口来控制步进电机？已经有很多人这样做了。由于步进电机通常需要一块驱动板，而这样的产品已经很容易买到并且极其廉价（肯定比你自己做要便宜），因此，我们没有必要自己去做。我在淘宝上不断地查啊查，终于找到了白菜价的步进电机和配套驱动板，加起来才一共8块多钱。

下面来看看我买的步进电机和驱动板的样子：

步进电机和驱动板的接线：

该驱动板配有一个原理图，根据它我们可以知道如何把整个系统连接起来：

可见，驱动板上有4个输入口：IN1~IN4，这4个口用来接树莓派的4个GPIO口。同时，我们需要为驱动板提供5V的供电，这从哪里来？当然是从树莓派引出来。从下面的GPIO口分布图可以得知，“2”口就是+5V，正好就利用它。

我将树莓派上的GPIO 17、18、21、22口（用树莓派的命名方式就是0、1、2、3口）分别接到步进电机驱动板上的IN1、IN2、IN3、IN4口，最后接好线的效果如下：

4、编写程序
在参考了这款步进电机配套的51单片机的示例代码后，我知道了依次把驱动板的IN1~IN4置为高电平，就可以驱动步进电机，也就是说，要把树莓派的4个GPIO输出口依次置为高电平。例如，假设用0代表低电平，1代表高电平的话，GPIO 17、18、21、22口的电平第一次被置为1、0、0、0，第二次被置为0、1、0、0，第三次被置为0、0、1、0，第四次被置为0、0、0、1。

于是我写出了下面的代码（仍然使用WiringPi这个库来操作GPIO）：

/* moto.c
* A program to control a stepper motor through the GPIO on Raspberry Pi.
*
* Author: Darran Zhang (http://www.codelast.com)
*/
#include
#include
#include
#include
#define CLOCKWISE 1
#define COUNTER_CLOCKWISE 2
void delayMS(int x);
void rotate(int* pins, int direction);
int main(int argc,char* argv[]) {
if (argc < 4) {
printf("Usage example: ./motor 0 1 2 3 n");
return 1;
}
/* number of the pins which connected to the stepper motor driver board */
int pinA = atoi(argv[1]);
int pinB = atoi(argv[2]);
int pinC = atoi(argv[3]);
int pinD = atoi(argv[4]);
int pins[4] = {pinA, pinB, pinC, pinD};
if (-1 == wiringPiSetup()) {
printf("Setup wiringPi failed!");
return 1;
}
/* set mode to output */
pinMode(pinA, OUTPUT);
pinMode(pinB, OUTPUT);
pinMode(pinC, OUTPUT);
pinMode(pinD, OUTPUT);
delayMS(50); // wait for a stable status
for (int i = 0; i < 500; i++) {
rotate(pins, CLOCKWISE);
}
return 0;
}
/* Suspend execution for x milliseconds intervals.
* @param ms Milliseconds to sleep.
*/
void delayMS(int x) {
usleep(x * 1000);
}
/* Rotate the motor.
* @param pins A pointer which points to the pins number array.
* @param direction CLOCKWISE for clockwise rotation, COUNTER_CLOCKWISE for counter clockwise rotation.
*/
void rotate(int* pins, int direction) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (CLOCKWISE == direction) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
if (j == i) {
digitalWrite(pins[3 - j], 1); // output a high level
} else {
digitalWrite(pins[3 - j], 0); // output a low level
}
}
} else if (COUNTER_CLOCKWISE == direction) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
if (j == i) {
digitalWrite(pins[j], 1); // output a high level
} else {
digitalWrite(pins[j], 0); // output a low level
}
}
}
delayMS(4);
}
}

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编译程序：

Compile the code:

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g++ motor.c -o motor -lwiringPi

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运行程序：

./motor 0 1 2 3

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这里向程序传入了4个参数，它们分别代表要控制的树莓派的GPIO口。切记，由于使用了WiringPi库，所以要参考上面的GPIO分布图的左边那部分来确定这些数字。
可以看到步进电机已经转动了(如下面的Youku视频所示)。如果你发现转动方向（顺/逆时针）反了，你可以把传入的参数顺序调整一下，就可以让它转对方向。
从前面的代码可见，如果要改变步进电机的转速，只需要改变rotate()函数中每次delay的时间即可。因此，如果我们把delay的时间逐渐由大变小，就会导致步进电机呈加速状态。让步进电机周期性加速的完整代码如下：

/* motor_speed_up.c
* A program to control a stepper motor(speed up) through the GPIO on Raspberry Pi.
*
* Author: Darran Zhang (http://www.codelast.com)
*/
#include
#include
#include
#include
#define CLOCKWISE 1
#define COUNTER_CLOCKWISE 2
void delayMS(int x);
void rotate(int* pins, int direction, int delay);
void stop(int* pins);
int main(int argc,char* argv[]) {
if (argc < 4) {
printf("Usage example: ./motor 0 1 2 3 n");
return 1;
}
/* number of the pins which connected to the stepper motor driver board */
int pinA = atoi(argv[1]);
int pinB = atoi(argv[2]);
int pinC = atoi(argv[3]);
int pinD = atoi(argv[4]);
int pins[4] = {pinA, pinB, pinC, pinD};
if (-1 == wiringPiSetup()) {
printf("Setup wiringPi failed!");
return 1;
}
/* set mode to output */
pinMode(pinA, OUTPUT);
pinMode(pinB, OUTPUT);
pinMode(pinC, OUTPUT);
pinMode(pinD, OUTPUT);
delayMS(50); // wait for a stable status
int delay = 25;
while (true) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
rotate(pins, CLOCKWISE, delay);
}
delay--;
if (delay < 4) {
delay = 25;
stop(pins);
delayMS(500);
}
}
return 0;
}
/* Suspend execution for x milliseconds intervals.
* @param ms Milliseconds to sleep.
*/
void delayMS(int x) {
usleep(x * 1000);
}
/* Rotate the motor.
* @param pins A pointer which points to the pins number array.
* @param direction CLOCKWISE for clockwise rotation, COUNTER_CLOCKWISE for counter clockwise rotation.
* @param delay The time intervals(in ms) to delay, and if the value is smaller, the motor rotates faster.
*/
void rotate(int* pins, int direction, int delay) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (CLOCKWISE == direction) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
if (j == i) {
digitalWrite(pins[3 - j], 1); // output a high level
} else {
digitalWrite(pins[3 - j], 0); // output a low level
}
}
} else if (COUNTER_CLOCKWISE == direction) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
if (j == i) {
digitalWrite(pins[j], 1); // output a high level
} else {
digitalWrite(pins[j], 0); // output a low level
}
}
}
delayMS(delay);
}
}
/* Stop the motor.
* @param pins A pointer which points to the pins number array.
*/
void stop(int* pins) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
digitalWrite(pins[i], 0); // output a low level
}
}