2024年1月28日发(作者：大秀杰)
课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 信息工程学院
初始条件：
集成译码器、计数器、555定时器、移位寄存器、LED和必要的门电路或其他器件。
题 目: 步进电机控制电路的设计仿真与制作
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周内完成对步进电机的设计、仿真、装配与调试。
2、技术要求：
错误！未找到引用源。 能控制步进电机正转和反转及运行速度，并由LED显示运行状态；
错误！未找到引用源。 设计步进电机工作方式为单四拍或双四拍。
A． 单四拍方式，通电顺序为A—B—C—D—A
B． 双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB
③ 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1） 第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。
2） 第3-4天， 方案选择和电路设计仿真。
3） 第4-5天， 电路调试和设计说明书撰写。
4） 第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
摘要
关键词：步进电机，工作方式，驱动
步进电机是一种将电能转化为角位移的装置。当它接收到一个脉冲信号，步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。本次课程设计采用分离的数字电路元件来驱动步进电机。控制电路由三部分组成：第一部分为脉冲信号发生器，由555构成的多谐振荡器来实现；第二部分为步进电机工作方式的控制电路，由计数器来控制单四拍的运行，由D触发器来控制双四拍的运行；第三部分为步进电机的驱动部分，由移位寄存器和一些门电路组成来控制步进电机的正常工作。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
武汉理工大学《数字电子电路基础》课程设计说明书
目录
1.概述
………………………………………………………………1
1.1.步进电机工作原理 …………………………………………1
1.2.步进电机控制要求 …………………………………………2
2.电路设计及原理…………………………………………………3
2.1.脉冲信号源 …………………………………………………3
2.2.工作方式控制电路 …………………………………………4
2.3.正反转控制电路 ……………………………………………6
2.4.整体电路 ……………………………………………………6
3.元器件功能介绍…………………………………………………8
555 ………………………………………………………8
3.2.74LS192 ……………………………………………………8
3.3.D触发器 ……………………………………………………9
3.4.74LS164 ……………………………………………………10
4.电路仿真与调试 ………………………………………………11
4.1.电路模块的仿真……………………………………………11
4.2.整体电路的仿真……………………………………………12
5.实物制作与调试 ………………………………………………15
5.1.实物的制作………………………………………………15
5.2.对实际电路的调试与结果…………………………………15
6.心得体会…………………………………………………16
7.元件清单……………………………………………………17
参考文献……………………………………………………18
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1.概述
1.1.步进电机工作原理
本次课程设计使用的步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。下图是四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1-1 四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四1
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拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如下图1-2的a、b、c所示：
a.单四拍 b.双四拍 c.八拍
图1-2 步进电机工作时序波形图
1.2.步进电机控制要求
步进电机的运行控制涉及到位置控制和加减速控制。其中位置控制是它的最主要用途。步进电机的位置控制是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。当然速度控制也是它必不可少的内容。在速度控制中，通过调整单片机发出的脉冲频率，达到速度控制。
如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。通电次序。步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快，如果两个脉冲的间隔越长，步进电机就转得越慢。因此，脉冲的频率f决定了步进电机的转速。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
2
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2.电路设计及原理
2.1.脉冲信号源
基于数字电路芯片的步进电机控制方案，步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进电机控制是由脉冲信号发生器、缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成的。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，驱动步进电机转动。
本次课程设计中，我们采用555构成的多谐振荡器来作为脉冲信号发生器，连接电路如下图2-1所示：
R1
10K
RP
100K
VCC
+5v
2
8
4
VCC
RESET
7
6
DISCHG
TRIG
R2
5
THOLD
555
OUT
CVOLT
GND
1
3
R3
330
C1
0.1uF
C2
0.01uF
图2-1 555构成多谐振荡器
接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降，Vc下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为tw2=0.7RBC当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2、R3向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为tw1=0.7(RA+RB)C,
当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，其振荡频率为f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C。
该电路可通过调节可变电阻RP的大小来改变输出脉冲的频率，而步进电动机的转速与脉冲频率成正比，故调节RP就可以调节步进电动机的转速。
3
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2.2.工作方式控制电路
单四拍的控制电路如下图2-2所示：
图2-2 构成单四拍工作方式
由方波发生器产生时钟信号，供给74LS164和74LS192的CLK端作为时钟信号。由74LS192构成4进制加计数器，把QA和QB
的输出送入二输入与门，当他们都输出高电平时，与门才输出高电平。这样就可得到所需要的A相的波形，在经移位寄存器74LS164移位输出，分别得到B相C相D相的波形。
从而实现单四拍的工作方式。
4
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双四拍的控制电路如下图2-3所示：
图2-3 构成双四拍工作方式
该电路由方波发生器产生时钟脉冲送给74LS164和D触发器（D1）。两个D触发器都接为反相器。从而实现把脉冲信号的平率缩小为原来的1/2的功能，经此功能后产生的信号就是A相的信号，在经移位寄存器产生B相C相D相信号。
从而实现了双四拍的工作方式控制。
2.3.正反转控制电路
其电路图如下图2-4所示，开关向上相接时为正转，向下时为反转。
图2-4 控制正反转电路
5
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由74ls164的3.4.5.6脚的输出分别对应步进电机的A,B,C,D四端，当顺序相接时步进电机正传，反向相接时实现反转，从而实现正反转的控制。
2.4.整体电路
将上述电路整合到一起就组成了整体电路，其电路图如下图2-5所示：
图2-5 整体电路图
6
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3.元器件功能介绍
555
图3-1 555内部结构图
1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。 当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平； 2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可达200mA。 4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。 5脚是控制端。 7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。
3.2.74LS192
其功能表如下表3-1所示：
表3-1 74LS192功能表
输入
MR
1
0
0
0
PL
×
0
1
1
CPU
×
×
×
1
CPD
×
×
1
×
P3
×
D
×
×
P2
×
C
×
×
7
输出
P1
×
B
×
×
P0
×
A
×
×
Q3
0
D
Q2
0
C
Q1
0
B
Q0
0
A
加计数
减计数
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其引脚图如下：
图3-2 74LS192芯片引脚图
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。
3.3.D触发器
D触发器的内部结构如下图3-3所示：
图3-3 D触发器内部结构图
SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。
当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
8
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其状态转换表如下表3-2所示：
表3-2 D触发器状态转换表
D
0
0
1
1
Qn
0
1
0
1
Qn+1
0
0
1
1
说明
输出状态与D端状态相同
3.4.74LS164
其引脚图如下图3-4所示：
图3-4 74LS164引脚图
其真值表如下表3-3所示：
表3-3 74LS164功能表
CLR CLK
0
1
1
1
74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。时钟 (CP)
每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（A和B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。复位输入端(MR)上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
9
A
×
1
1
0
B
×
1
0
×
QA QB QC QD QE QF QG QH
0 0 0 0 0 0 0 0
1 QA QB QC QD QE QF QG
0 QA
0 QA
×
↑
↑
↑
QB
QB
QC
QC
QD
QD
QE
QE
QF
QF
QG
QG
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4.电路仿真与调试
4.1.电路模块的仿真
整体电路如下图4-1所示：
图4-1 整体电路仿真图
测得555输出波形如下图4-2所示：
图4-2 脉冲信号发生器输出波形
其输出波形为一频率固定的方波信号。通过2.6脚与地的电容的充放电来控制其周期和频率的大小，公式为f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C。
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由74LS192输出端经与门的输出波形如下图4-3所示：
图4-3 74LS192输出波形
由D触发器9脚输出的波形如下图图4-4所示：
图4-4 D触发器输出波形
显示电路由4个计数器，2个译码器和2个七段共阴极数码管组成，2个74LS163用来分频，组成一个256进制计数器，两个74LS90分别为一个10进制计数器与译码器相接控制七段共阴极数码管的显示，用来反映步进电机的转动速度。其仿真结果如下图4-5所示：
图4-5 七段共阴极数码管显示电路
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4.2.整体电路的仿真
将电路作为整体，检测其输出波形。
（1）电路以单四拍工作方式工作时：
正向转动时的输出波形如下图4-6所示：
图4-6 正向单四拍工作方式输出波形
由步进电机工作方式可以知道，公共脚接正极时，脉冲信号分别从步进电机的A,B,C,D四相脚进入时，会使其产生偏转从而带动步进电机转动，由仿真图可以知道，同一时间段内，只有一个脉冲信号输入步进电机中，且输出顺序遵循A,B,C,D的顺序，故其能够实现单四拍的工作方式，即通电顺序为A—B—C—D—A。
反向转动时波形如下图4-7所示：
图4-7反向单四拍工作方式输出波形
由正向工作方式可以知道，该仿真结果的输出顺序应为D,C,B,A，分别对应步进电机的A,B,C,D，故此时工作方式为反向。
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（2）电路以双四拍工作方式工作时：
正向转动时波形如下图4-8所示：
图4-8 正向双四拍工作方式输出波形
由仿真所得的波形可以看出，每一个555输出脉冲的时间段内，存在连续的两个高电平输出端，此时输出顺序为AB—BC—CD—DA—AB,分别对应步进电机的A,B,C,D四个输入端，故构成正向的双四拍工作方式。
反向转动时波形如下图4-9所示：
图4-9 反向双四拍工作方式输出波形
仿真波形如上图所示时，由正向分析可知，该输出顺序呢应为BA—AD—DC—CB—BA，分别对应步进电机的A,B,C,D四个输入端，股构成反向的双四拍工作方式。
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5.实物制作与调试
5.1.实物的制作
经元器件购买及焊接，最终的实际电路如下图5-1所示：
图5-1 实物电路
5.2.对实际电路的调试与结果
在对实际电路的调试过程中，发现了一些问题，最初焊接成的电路板步进电机不能工作，NE555也发热过高，初步分析时电路连接问题。后来经改进，得到电路只能使步进电机由轻微震动，却无法产生转动的现象，在查阅资料以后发现可能由于电压过小，或者频率不对，又或者是相序的问题等等。经最终改进，加入OC门来提高输出电压，最终也只能使点击的震动幅度加大，并未能使其转动，在经由示波器测量后发现其输出电压仍然达不到其工作电压，导致无法成功。
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6.心得体会
通过本次实验，我基本了解了步进电机的工作原理以及工作特点，虽然在实际电路的完成上有一定欠缺，但经过分析和调试发现了问题的所在，发现步进电机由其一定的工作频率范围，由工作电压的要求，以及相序的要求，可见其精密程度之高。
其次，通过本次课程设计，我们学习到了许多书本上没有的知识，通过自己查资料和互相讨论，对系统进行整体设计后基本达到了要求。增强了团队合作的能力，提高了查阅资料的能力以及动手实践的能力，通过理论与实际的对比，发现实际电路与理论仿真存在很大区别，为以后更好的将理论融入实际中做好了铺垫。
最后，本次课程设计并不是由我一个人独立完成的，通过与其他人的共同调试、讨论、修改和制作，最终加深了对书本知识的理解，对仿真软件的使用由很大提升，对实际电路的分析能力有很大增强，对待问题的态度也有一定的改善，同时明白了理论的成功并不能代表实际的成功。虽然本次课程设计的最佳目标没有达到，但是通过课程设计的过程使我收获颇丰，在连续采用了三次改进电路，在一次次失败的分析调试中，我们得到的比失去的更多。因此，我觉得本次的课程设计对我的影响很大，收获很大。
15
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7.元件清单
1
2
3
4
5
6
7
8
9
名称
NE555
电阻R1
电阻R2、R3、R4、R5
电阻R6、
电容C1、C2
电容C3
74LS192
74LS164
型号
10K
500
100
10nF
100nF
10K
数量
1
1
4
2
2
1
1
1
1
1
3
2
3
3
2
1
10 74LS08
11 74LS74
12 74LS161
13 74LS15
14
LED发光二极管（红、黄、绿）
15
单刀双掷开关
16
双刀双掷开关
17
滑动变阻器
16
武汉理工大学《数字电子电路基础》课程设计说明书
参考文献
[1]
王鸿钰 步进电机控制入门 同济大学出版社 1990.
[2]
刘可文 数字电子技术基础 科学出版社 2013.03.
[3] 尹勇 Multisim 电路仿真入门与进阶 科学出版社 2005.02.
[4] 谢自美 电子线路设计 华中科技大学出版社 2004.
17
附表一：本科生课程设计成绩评定表
姓 名
专业、班级
吴辰晨
电信1203班
性 别 男
课程设计题目：步进电机控制电路的设计仿真与制作
课程设计答辩或质疑记录：
问题1：该电路输出信号频率由什么控制？
答：由555构成的多谐振荡器产生脉冲信号，由公式f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C可知，通过调整R与C的大小即可改变其输出信号的频率。
问题2：步进电机的正反转如何控制？
答：通过开关改变输出与步进电机输入的对应关系来改变其正反转。
问题3：步进电机的转动速度由什么控制，显示电路又如何实现？
答：步进电机转动速度与信号发生器频率相关，改变可调电阻的阻值即可改变频率从而改变转速，显示电路由三块16进制计数器来分频，将分频出来的信号加至显示电路即可。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年
月 日
1
2024年1月28日发(作者：大秀杰)
课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 信息工程学院
初始条件：
集成译码器、计数器、555定时器、移位寄存器、LED和必要的门电路或其他器件。
题 目: 步进电机控制电路的设计仿真与制作
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周内完成对步进电机的设计、仿真、装配与调试。
2、技术要求：
错误！未找到引用源。 能控制步进电机正转和反转及运行速度，并由LED显示运行状态；
错误！未找到引用源。 设计步进电机工作方式为单四拍或双四拍。
A． 单四拍方式，通电顺序为A—B—C—D—A
B． 双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB
③ 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1） 第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。
2） 第3-4天， 方案选择和电路设计仿真。
3） 第4-5天， 电路调试和设计说明书撰写。
4） 第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
摘要
关键词：步进电机，工作方式，驱动
步进电机是一种将电能转化为角位移的装置。当它接收到一个脉冲信号，步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。本次课程设计采用分离的数字电路元件来驱动步进电机。控制电路由三部分组成：第一部分为脉冲信号发生器，由555构成的多谐振荡器来实现；第二部分为步进电机工作方式的控制电路，由计数器来控制单四拍的运行，由D触发器来控制双四拍的运行；第三部分为步进电机的驱动部分，由移位寄存器和一些门电路组成来控制步进电机的正常工作。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
武汉理工大学《数字电子电路基础》课程设计说明书
目录
1.概述
………………………………………………………………1
1.1.步进电机工作原理 …………………………………………1
1.2.步进电机控制要求 …………………………………………2
2.电路设计及原理…………………………………………………3
2.1.脉冲信号源 …………………………………………………3
2.2.工作方式控制电路 …………………………………………4
2.3.正反转控制电路 ……………………………………………6
2.4.整体电路 ……………………………………………………6
3.元器件功能介绍…………………………………………………8
555 ………………………………………………………8
3.2.74LS192 ……………………………………………………8
3.3.D触发器 ……………………………………………………9
3.4.74LS164 ……………………………………………………10
4.电路仿真与调试 ………………………………………………11
4.1.电路模块的仿真……………………………………………11
4.2.整体电路的仿真……………………………………………12
5.实物制作与调试 ………………………………………………15
5.1.实物的制作………………………………………………15
5.2.对实际电路的调试与结果…………………………………15
6.心得体会…………………………………………………16
7.元件清单……………………………………………………17
参考文献……………………………………………………18
武汉理工大学《数字电子电路基础》课程设计说明书
1.概述
1.1.步进电机工作原理
本次课程设计使用的步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。下图是四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1-1 四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四1
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拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如下图1-2的a、b、c所示：
a.单四拍 b.双四拍 c.八拍
图1-2 步进电机工作时序波形图
1.2.步进电机控制要求
步进电机的运行控制涉及到位置控制和加减速控制。其中位置控制是它的最主要用途。步进电机的位置控制是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。当然速度控制也是它必不可少的内容。在速度控制中，通过调整单片机发出的脉冲频率，达到速度控制。
如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。通电次序。步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快，如果两个脉冲的间隔越长，步进电机就转得越慢。因此，脉冲的频率f决定了步进电机的转速。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
2
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2.电路设计及原理
2.1.脉冲信号源
基于数字电路芯片的步进电机控制方案，步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进电机控制是由脉冲信号发生器、缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成的。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，驱动步进电机转动。
本次课程设计中，我们采用555构成的多谐振荡器来作为脉冲信号发生器，连接电路如下图2-1所示：
R1
10K
RP
100K
VCC
+5v
2
8
4
VCC
RESET
7
6
DISCHG
TRIG
R2
5
THOLD
555
OUT
CVOLT
GND
1
3
R3
330
C1
0.1uF
C2
0.01uF
图2-1 555构成多谐振荡器
接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降，Vc下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为tw2=0.7RBC当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2、R3向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为tw1=0.7(RA+RB)C,
当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，其振荡频率为f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C。
该电路可通过调节可变电阻RP的大小来改变输出脉冲的频率，而步进电动机的转速与脉冲频率成正比，故调节RP就可以调节步进电动机的转速。
3
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2.2.工作方式控制电路
单四拍的控制电路如下图2-2所示：
图2-2 构成单四拍工作方式
由方波发生器产生时钟信号，供给74LS164和74LS192的CLK端作为时钟信号。由74LS192构成4进制加计数器，把QA和QB
的输出送入二输入与门，当他们都输出高电平时，与门才输出高电平。这样就可得到所需要的A相的波形，在经移位寄存器74LS164移位输出，分别得到B相C相D相的波形。
从而实现单四拍的工作方式。
4
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双四拍的控制电路如下图2-3所示：
图2-3 构成双四拍工作方式
该电路由方波发生器产生时钟脉冲送给74LS164和D触发器（D1）。两个D触发器都接为反相器。从而实现把脉冲信号的平率缩小为原来的1/2的功能，经此功能后产生的信号就是A相的信号，在经移位寄存器产生B相C相D相信号。
从而实现了双四拍的工作方式控制。
2.3.正反转控制电路
其电路图如下图2-4所示，开关向上相接时为正转，向下时为反转。
图2-4 控制正反转电路
5
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由74ls164的3.4.5.6脚的输出分别对应步进电机的A,B,C,D四端，当顺序相接时步进电机正传，反向相接时实现反转，从而实现正反转的控制。
2.4.整体电路
将上述电路整合到一起就组成了整体电路，其电路图如下图2-5所示：
图2-5 整体电路图
6
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3.元器件功能介绍
555
图3-1 555内部结构图
1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。 当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平； 2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可达200mA。 4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。 5脚是控制端。 7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。
3.2.74LS192
其功能表如下表3-1所示：
表3-1 74LS192功能表
输入
MR
1
0
0
0
PL
×
0
1
1
CPU
×
×
×
1
CPD
×
×
1
×
P3
×
D
×
×
P2
×
C
×
×
7
输出
P1
×
B
×
×
P0
×
A
×
×
Q3
0
D
Q2
0
C
Q1
0
B
Q0
0
A
加计数
减计数
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其引脚图如下：
图3-2 74LS192芯片引脚图
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。
3.3.D触发器
D触发器的内部结构如下图3-3所示：
图3-3 D触发器内部结构图
SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。
当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
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其状态转换表如下表3-2所示：
表3-2 D触发器状态转换表
D
0
0
1
1
Qn
0
1
0
1
Qn+1
0
0
1
1
说明
输出状态与D端状态相同
3.4.74LS164
其引脚图如下图3-4所示：
图3-4 74LS164引脚图
其真值表如下表3-3所示：
表3-3 74LS164功能表
CLR CLK
0
1
1
1
74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。时钟 (CP)
每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（A和B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。复位输入端(MR)上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
9
A
×
1
1
0
B
×
1
0
×
QA QB QC QD QE QF QG QH
0 0 0 0 0 0 0 0
1 QA QB QC QD QE QF QG
0 QA
0 QA
×
↑
↑
↑
QB
QB
QC
QC
QD
QD
QE
QE
QF
QF
QG
QG
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4.电路仿真与调试
4.1.电路模块的仿真
整体电路如下图4-1所示：
图4-1 整体电路仿真图
测得555输出波形如下图4-2所示：
图4-2 脉冲信号发生器输出波形
其输出波形为一频率固定的方波信号。通过2.6脚与地的电容的充放电来控制其周期和频率的大小，公式为f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C。
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由74LS192输出端经与门的输出波形如下图4-3所示：
图4-3 74LS192输出波形
由D触发器9脚输出的波形如下图图4-4所示：
图4-4 D触发器输出波形
显示电路由4个计数器，2个译码器和2个七段共阴极数码管组成，2个74LS163用来分频，组成一个256进制计数器，两个74LS90分别为一个10进制计数器与译码器相接控制七段共阴极数码管的显示，用来反映步进电机的转动速度。其仿真结果如下图4-5所示：
图4-5 七段共阴极数码管显示电路
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4.2.整体电路的仿真
将电路作为整体，检测其输出波形。
（1）电路以单四拍工作方式工作时：
正向转动时的输出波形如下图4-6所示：
图4-6 正向单四拍工作方式输出波形
由步进电机工作方式可以知道，公共脚接正极时，脉冲信号分别从步进电机的A,B,C,D四相脚进入时，会使其产生偏转从而带动步进电机转动，由仿真图可以知道，同一时间段内，只有一个脉冲信号输入步进电机中，且输出顺序遵循A,B,C,D的顺序，故其能够实现单四拍的工作方式，即通电顺序为A—B—C—D—A。
反向转动时波形如下图4-7所示：
图4-7反向单四拍工作方式输出波形
由正向工作方式可以知道，该仿真结果的输出顺序应为D,C,B,A，分别对应步进电机的A,B,C,D，故此时工作方式为反向。
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（2）电路以双四拍工作方式工作时：
正向转动时波形如下图4-8所示：
图4-8 正向双四拍工作方式输出波形
由仿真所得的波形可以看出，每一个555输出脉冲的时间段内，存在连续的两个高电平输出端，此时输出顺序为AB—BC—CD—DA—AB,分别对应步进电机的A,B,C,D四个输入端，故构成正向的双四拍工作方式。
反向转动时波形如下图4-9所示：
图4-9 反向双四拍工作方式输出波形
仿真波形如上图所示时，由正向分析可知，该输出顺序呢应为BA—AD—DC—CB—BA，分别对应步进电机的A,B,C,D四个输入端，股构成反向的双四拍工作方式。
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5.实物制作与调试
5.1.实物的制作
经元器件购买及焊接，最终的实际电路如下图5-1所示：
图5-1 实物电路
5.2.对实际电路的调试与结果
在对实际电路的调试过程中，发现了一些问题，最初焊接成的电路板步进电机不能工作，NE555也发热过高，初步分析时电路连接问题。后来经改进，得到电路只能使步进电机由轻微震动，却无法产生转动的现象，在查阅资料以后发现可能由于电压过小，或者频率不对，又或者是相序的问题等等。经最终改进，加入OC门来提高输出电压，最终也只能使点击的震动幅度加大，并未能使其转动，在经由示波器测量后发现其输出电压仍然达不到其工作电压，导致无法成功。
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6.心得体会
通过本次实验，我基本了解了步进电机的工作原理以及工作特点，虽然在实际电路的完成上有一定欠缺，但经过分析和调试发现了问题的所在，发现步进电机由其一定的工作频率范围，由工作电压的要求，以及相序的要求，可见其精密程度之高。
其次，通过本次课程设计，我们学习到了许多书本上没有的知识，通过自己查资料和互相讨论，对系统进行整体设计后基本达到了要求。增强了团队合作的能力，提高了查阅资料的能力以及动手实践的能力，通过理论与实际的对比，发现实际电路与理论仿真存在很大区别，为以后更好的将理论融入实际中做好了铺垫。
最后，本次课程设计并不是由我一个人独立完成的，通过与其他人的共同调试、讨论、修改和制作，最终加深了对书本知识的理解，对仿真软件的使用由很大提升，对实际电路的分析能力有很大增强，对待问题的态度也有一定的改善，同时明白了理论的成功并不能代表实际的成功。虽然本次课程设计的最佳目标没有达到，但是通过课程设计的过程使我收获颇丰，在连续采用了三次改进电路，在一次次失败的分析调试中，我们得到的比失去的更多。因此，我觉得本次的课程设计对我的影响很大，收获很大。
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7.元件清单
1
2
3
4
5
6
7
8
9
名称
NE555
电阻R1
电阻R2、R3、R4、R5
电阻R6、
电容C1、C2
电容C3
74LS192
74LS164
型号
10K
500
100
10nF
100nF
10K
数量
1
1
4
2
2
1
1
1
1
1
3
2
3
3
2
1
10 74LS08
11 74LS74
12 74LS161
13 74LS15
14
LED发光二极管（红、黄、绿）
15
单刀双掷开关
16
双刀双掷开关
17
滑动变阻器
16
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参考文献
[1]
王鸿钰 步进电机控制入门 同济大学出版社 1990.
[2]
刘可文 数字电子技术基础 科学出版社 2013.03.
[3] 尹勇 Multisim 电路仿真入门与进阶 科学出版社 2005.02.
[4] 谢自美 电子线路设计 华中科技大学出版社 2004.
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附表一：本科生课程设计成绩评定表
姓 名
专业、班级
吴辰晨
电信1203班
性 别 男
课程设计题目：步进电机控制电路的设计仿真与制作
课程设计答辩或质疑记录：
问题1：该电路输出信号频率由什么控制？
答：由555构成的多谐振荡器产生脉冲信号，由公式f=1/(tw1+tw2)=1/0.7(RA+2RB)C可知，通过调整R与C的大小即可改变其输出信号的频率。
问题2：步进电机的正反转如何控制？
答：通过开关改变输出与步进电机输入的对应关系来改变其正反转。
问题3：步进电机的转动速度由什么控制，显示电路又如何实现？
答：步进电机转动速度与信号发生器频率相关，改变可调电阻的阻值即可改变频率从而改变转速，显示电路由三块16进制计数器来分频，将分频出来的信号加至显示电路即可。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年
月 日
1