串口屏控制步进电机

原创于 2025-11-04 16:56:31 发布 · 1k 阅读

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#STM32 # 串口屏 # 步进电机 # USART # HMI # 电机控制

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STM32电机控制例程分享第八期：USART HMI 串口屏控制步进电机运转

在一台小型CNC雕刻机的调试现场，工程师正对着笔记本电脑运行串口助手，手动输入十六进制指令来调整主轴位置。旁边的学生看得直皱眉：“就不能做个界面点一下就动吗？”——这其实正是许多嵌入式开发者的真实写照：功能早已实现，却因缺乏直观操作方式而显得“不够产品化”。

今天我们要解决的就是这个问题。用一块几十元的串口屏 + 一颗STM32F103，搭建一个真正意义上的“人机交互”系统，实现通过触摸屏幕直接控制步进电机启停、调速、换向，并实时反馈运行状态。整个过程不依赖PC，无需复杂的GUI框架，开发周期可以压缩到一天以内。

从通信链路讲起：为什么选USART而不是SPI或I²C？

很多人第一反应是：“显示屏不是应该用并口或者RGB接口吗？”但对资源有限的小型控制系统来说， 串行通信才是性价比之王 。尤其是基于USART的HMI方案，只需要两根线（TX/RX）就能完成双向数据交换，极大简化布线和PCB设计。

以常见的Nextion或禾力恒通系列串口屏为例，它们内部集成了独立的显示处理器和固件，你不需要操心像素绘制、触摸扫描这些底层逻辑。你要做的只是发送一串ASCII文本指令，比如：

SendToHMI("t0.txt=\"Speed: 200 PPS\"");

屏幕就会自动把ID为 t0 的文本框内容更新为“Speed: 200 PPS”。反过来，当你点击界面上的按钮，它会主动回传一个3字节的数据包，如 0x65 0x01 0x00 ，告诉你“第1页的第0号控件被按下”。

这种“主控发命令，屏幕做执行；屏幕报事件，主控做响应”的模式，完美契合STM32这类MCU的能力边界——既能处理实时控制任务，又不至于被图形渲染拖垮。

当然，前提是通信要稳。我曾经遇到过因波特率偏差导致指令错乱的问题：明明发的是 page 1 ，结果屏幕跳到了不存在的页面。后来发现是串口屏默认使用内部RC振荡器，误差高达±3%，而STM32接了外部晶振，两者稍有不匹配就会丢帧。解决方案很简单： 统一设置为115200bps，并确保双方都启用硬件流控或至少加入超时重试机制 。

下面是经过实战验证的基础通信封装：

// usart.c
void SendToHMI(const char* cmd) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)cmd, strlen(cmd), HAL_MAX_DELAY);
    uint8_t end[] = {0xFF, 0xFF, 0xFF};
    HAL_UART_Transmit(&huart1, end, 3, HAL_MAX_DELAY); // 必须加这三个字节！
}

别小看最后那三个 0xFF ，这是绝大多数串口屏识别指令结束的关键标志。漏掉它，轻则刷新失败，重则累积缓存造成后续指令解析错位。

至于接收端，建议采用中断+状态机的方式处理返回数据，避免阻塞主循环。以下是一个适用于Nextion屏的事件解析片段：

uint8_t rx_buffer[10];
uint8_t rx_index = 0;

void UART_RxCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        uint8_t data;
        HAL_UART_Receive(&huart1, &data, 1, 1);

        if (rx_index == 0 && data != 0x65) return; // 等待起始字节
        rx_buffer[rx_index++] = data;

        if (rx_index >= 3) {
            handle_touch_event(rx_buffer[1], rx_buffer[2]);
            rx_index = 0;
        }
    }
}

void handle_touch_event(uint8_t page_id, uint8_t comp_id) {
    switch(page_id) {
        case 0:
            if (comp_id == 1) motor_start(get_speed_from_slider());
            if (comp_id == 2) motor_stop();
            break;
    }
}

这里的关键在于不要盲目轮询。串口屏支持中断上报模式（即“有触控才发”），合理利用这一特性可显著降低CPU负载。

屏幕不只是显示器：如何让它真正“参与”控制流程？

很多初学者把串口屏当成纯输出设备，只用来显示参数。但实际上，它的潜力远不止于此。

想象这样一个场景：你在调试一台自动送料机构，需要精确设定每步前进的脉冲数。传统做法是改代码、重新烧录、观察效果，反复迭代。而现在，你可以直接在屏幕上放一个数值输入框：

n0.val=1000

用户输入后，STM32读取这个值并用于计算运动距离。更进一步，添加一个“测试运行”按钮，点击后电机按设定脉冲数走一步，完成后自动停止并提示“已完成1000步”。

这才是现代HMI应有的交互体验。

为了实现这一点，你需要让STM32具备“查询屏幕当前值”的能力。虽然协议上不支持直接GET操作，但我们可以通过“事件触发+主动请求”的组合拳达成目的。例如：

用户修改滑块 → 屏幕发送 0x65 xx yy
MCU收到后，立即发送 get n0.val 指令
屏幕回复 0x71 0x?? ... 带回实际数值

虽然多了一次往返，但在人机交互的节奏下完全可接受。而且这样做还有一个好处： 形成闭环校验 ，防止因通信异常导致本地变量与界面显示不同步。

另外值得一提的是背光控制。有些项目要求夜间自动调暗屏幕亮度，这完全可以由STM32根据定时器或光敏传感器动态调节：

void set_brightness(uint8_t level) {
    char cmd[20];
    sprintf(cmd, "dim=%d", level);
    SendToHMI(cmd);
}

一条指令搞定，连I²C都没用上。

步进电机怎么“听话”？PWM之外你还得懂时序约束

说到驱动步进电机，很多人第一反应是：“不就是输出PWM吗？”确实，STM32的定时器能轻松产生几十kHz的方波信号送到STEP引脚。但真正难点不在“发出脉冲”，而在“何时开始、如何加速、怎样停止”。

我曾在一个客户项目中看到这样的现象：电机低速运行平稳，一旦提速到一定频率就突然卡住不动，甚至发出啸叫。检查接线无误、电源充足，问题出在哪？答案是： 启动频率过高导致失步 。

步进电机有个基本物理特性：转子有惯性，绕组有电感。刚启动时如果直接给高频脉冲，磁场变化太快，转子跟不上，就会“丢步”。正确的做法是采用 梯形或S型加减速曲线 ，逐步提升频率。

最简单的实现方式是在启动阶段先以较低频率运行几百个脉冲，再线性增加至目标速度。停止时反向操作。虽然我们这次例程暂未引入复杂算法，但至少要做到：

启动时从100~200PPS起步；
最高速度不超过驱动模块允许的最大响应频率（A4988一般为20kHz）；
加入软件限位，通过累计脉冲数判断是否到达行程终点。

下面是基于TIM2的PWM输出配置示例：

void SetMotorFrequency(uint32_t freq) {
    if (freq == 0) {
        HAL_TIM_PWM_Stop(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
        return;
    }

    uint32_t timer_clock = 72000000;
    uint32_t prescaler = 72 - 1;         // 1MHz计数频率
    uint32_t period = (1000000 / freq) - 1;

    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&htim2, prescaler);
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, period);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, period / 2); // 50%占空比

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

注意这里将定时器时钟预分频为1MHz，使得ARR寄存器的值直接对应微秒级周期，便于计算。同时保持50%占空比，确保每个脉冲宽度足够长（>1μs），满足A4988等芯片的最小脉宽要求。

DIR方向信号则通过普通GPIO控制：

HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, direction ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);

简单有效。

实际系统集成中的那些“坑”，你知道几个？

1. CPU负载冲突：通信和控制谁优先？

当UART接收和PWM输出同时发生时，若全部放在主循环中轮询，很容易出现响应延迟。我的建议是：

高优先级：PWM输出走定时器硬件通道 ，不受软件影响；
中优先级：UART接收使用中断+DMA ，避免频繁进入ISR；
低优先级：界面刷新、日志打印等非实时任务放入main loop 。

这样即使串口屏短时间内大量刷新，也不会干扰电机运行。

2. 掉电记忆怎么办？

很多应用场景希望下次上电时恢复上次使用的参数（如默认速度）。由于串口屏本身不具备存储能力，这部分工作必须由STM32完成。

最简单的方案是利用STM32F1的后备寄存器（Backup Registers）或模拟EEPROM（通过Flash扇区模拟）。每次参数变更时保存一次：

#define DEFAULT_SPEED_ADDR 0x0800FC00
uint32_t speed = 200;

// 修改后保存
write_flash(DEFAULT_SPEED_ADDR, speed);

// 上电读取
speed = read_flash(DEFAULT_SPEED_ADDR);

虽然Flash擦写寿命有限（约1万次），但对于参数存储已绰绰有余。

3. 紧急停止必须可靠

在机电系统中，“急停”按钮的安全等级最高。理想情况下应使用外部中断引脚连接物理按键，一旦触发立即关闭PWM输出：

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    HAL_TIM_PWM_Stop(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    motor_state = STOPPED;
    SendToHMI("t_status.txt=\"EMERGENCY STOP\"");
}

必要时还可联动串口屏弹出警告画面，形成多重保障。