1、 数字电路课程设计任务书20122013学 年 第 1 学期第 6周 7周题目步进电机的简单控制电路内容及要求：基本要求：采用数字电路实现步进电机的简单控制，能够实现步进电机根据输入的脉冲旋转相应的圈数，可以实现复位、正反转控制。实际试验由可以使用 4 个 LED 代替 4 个线圈。提高要求：显示输入的脉冲数目，从而显示转速。进度安排：1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：3 天；2. 领元器件、制作、焊接：3 天；3调试： 3.5 天；4. 验收：0.5 天；学生姓名:指导时间：指导地点：任务下达2012 年 10 月 8 日任务完成2012 年 10 月 17 日考核方式1.评阅
2、 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主20任摘要步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁式机械装置， 也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。本次设计 采用数字电路设计步进电机的控制电路，用四个 LED 灯来代替步进电机的四个线圈，采用 74LS190 计其脉冲的个数，再经过 74LS138 译码器译码后来控制 4 个 LED 的工作。由开关控制 74LS190 的加、减计数和清零来实现 4 个 LED 的正反转和复位。另外由另一个 555 控制一个 74LS161 的工作使计数器在单位时间内计数，并由数码管显示。从而实现步进电机转速的测量。关键字：
3、角位移、 脉冲、译码器、转速目录第一章设计任务与要求41.1步进电机的设计任务41.2步进电机的设计要求4第二章控制电路的原理分析与设计52.1控制电路原理分析52.2控制电路的设计62.3方案比较与选择8第三章单元电路设计93.1多谐振荡电路93.2步进电机的信号控制电路103.3转速的测量与显示电路12第四章实验调试与分析154.1电路板的排版与制作154.2电路的调试及遇到的问题15第五章实验结论16第六章心得与体会17参考文献18附录 元器件清单19附录 总原理图20第一章 设计任务与要求1.1 、步进电机控制电路的设计任务本课题要求采用数字电路的相关知识设计一个步进电机的控制电路，该
4、电路可以对步进电机的运行状态进行控制，本次设计使用四个 LED 灯来代替步进电机的四个线圈。1.2 、步进电机控制电路的设计要求1、基本要求：采用数字电路实现步进电机的简单控制，能够实现步进电机根据输入的脉冲旋转相应的圈数，可以实现复位、正反转控制。2、提高要求：利用数码管显示输入的脉冲数目，从而显示转速，利用控制电路可以实现多数码管的复位。第二章 控制电路原理分析与设计2.1 、控制电路原理分析步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准
5、确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 常见的有四相步进电机，示意图如图 2.1 所示图 2.1 四相步进电机开始时，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
6、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。本次课程设计用四个 LED 灯来代表步进电机的四个线圈。设计原理框图如图 2.2 所示脉冲信号信号分配功率放大步进电机负载图 2.2 原理框图脉冲信号一般是由单片机或 CPU 产生的，本次设计是采用 NE555 组成的多谐振荡器产生的脉冲信号，一般脉冲信号的占空比为 0.3 至 0.4 左右， 步进电机转速越高，占空比则越大。信号分配又叫脉冲分配器，其作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由计数器和译码器组成，也可以由环形计数器构成，本次设计是采用计数器和译码器组成的。功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进
7、电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。2.2 控制电路的设计控制电路的设计有三种方法如下：方案一、设计了一种由 NE555 和 74LS74 芯片组成的三相步进电机的控制系统。该系统采用弱电电路来控制强电电路,利用 NE555 的数字脉宽振荡电路产生时钟脉冲,通过二片 74LS74 中的三个 D 触发器,去控制驱动电路中的三个电磁继电器,驱动三相步进电机转动。步进电动机转动的速度由脉冲信号的宽度来控制。改变相线通电顺序可改变定子磁场旋转的方向,从而达到控制步进电动机正反转方向控制。电路设计如图 2
8、.3 所示图 2.3 74LS74 芯片组成的电路方案二、采用 74LS190 计其脉冲的个数，再经过 74LS138 译码器分频后来控制 4 个 LED 的工作。由开关控制 74LS190 的加、减计数和清零来实现 4 个 LED 的正反转和复位。另外由另一个 555 控制一个 74LS161 的工作使计数器在单位时间内计数，并由数码管显示。从而实现步进电机转速的测量。如图 2.4 所示。图 2.4 74LS190 组成的电路方案三、采用单片机 51 单片机组成控制电路系统，如图 2.5 所示图 2.5 51 单片机组成的电路2.3 方案比较与选择方案一：电路只采用 74LS74 和 NE5
9、55 相对简单，所用到的芯片也较少， 能达到控制步进电机的转向，但是该电路不能进行复位，也不能显示步进电 机的转速。方案二：电路采用 74LS190 计其脉冲的个数，经过 74LS138 译码器译码后分频来控制四个 LED 的工作，并有数码显示功能从而显示步进电机的转速。虽电路复杂，但是能达到控制步进电机的转向，并能显示步进电机的转速， 且系统稳定。方案三：系统采用模块化设计，结构简单，可靠，操作简单易于掌握。但是本次是数字电路课设且采用单片机造价成本较高。所以综合考虑，选择方案二比较好。第三章 单元电路设计与分析3.1 多谐振荡电路多谐振荡电路是由 NE555 定时器构成，产生的连续脉冲用来
10、控制74LS190 加减计数器的脉冲端。NE555 构成的多谐振荡电路图及波形图如图3.1 所示。图 3.1 NE555 多谐振荡电路与波形图如图 3.1a 图所示电路由采用电阻、电容组成 RC 定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节滑动变阻器 R1 可以改变时间常数，从而改变连续脉冲的周期和脉宽。工作原理：由图 3.1 b 图所示当电容 C 两端的电压Uc 略小于1 Ucc ，Uo 输出高电3平，电源通过 R1、R2 给电容 C 充电。随着充电的进行 Uc 逐渐增高，但只要 1 Ucc Uc 2 Ucc ，输出电压 Uo 就一直保持高电平不变。当电容 C 上33的电压 Uc 略超过 2 U
11、cc 时输出电压 Uo 从原来的高电平转到低电平。此时电3容 C 通过 R2 放电，随着电容 C 放电，Uc 下降。振荡周期 T 的计算公式：T = 0.7(R1 + 2R2)C 2.1脉冲宽度计算公式：Tw = 0.7(R1 + R2)C 2.23.2 步进电机信号控制电路此控制电路主要由 74LS190 十进制同步加减计数器和 74LS138 来设计， 利用 74LS190 的加减计数的原理在经过 74LS138 译码器来控制 4 个 LED 的正传反转，在利用 74LS190 清零管脚来控制 LED 灯的复位。要使驱动 LED 正常工作采用灌电流驱动，步进电机信号控制电路如图 3.2 所
12、示。图 3.2 步进电机信号控制电路74LS190 功能表如表一表一 74LS190 功能表CTLDU/DCP功能000置数010加计数011减计数1保持74LS190 管脚图如图 3.3 所示图 3.3 74LS190 管脚图74LS138 功能表如表二表二 74LS138 功能表74LS138 管脚图如图 3.4 所示图 3.4 74LS138 管脚图3.3 转速的测量与显示电路此电路由单稳态电路，计数器和一个数码管显示电路组成。由 555 构成的单稳态电路控制计数器 74LS161 的计数时间，经过 74LS248 译码器译码驱动数码管，使数码管显示在单位时间内所计的脉冲个数即步进电机的
13、转速， 开关的闭合可以使数码管清零。电路图如图 3.3 所示图 3.5 速测量与显示电路74LS161 为二进制同步计数器，具有同步预置数、异步清零以及保持功能。表三 74LS161 功能表74LS161 功能表如表一所示74LS161 管脚图如图 3.6 示图 3.6 4LS161 管脚图74LS248 是 7 段译码器，可以驱动共阴极数码管，功能表如表四。表四 74LS248 功能表74LS248 管脚图如图 3.7 所示图 3.7 74LS248 管脚图数码显示器是采用的八共阴数码管，管脚图如图 3.8 所示，X 是共阴极，DP 是小数点，其内部是八段发光二极管的负极连在一起的电路，当在
14、数码管的 a、b、c、d、e、f、g、DP 加上正电压时个发光二极管就点亮。图 3.8 数码管管脚图第四章实验调试及分析4.1 电路板的排版与制作1、清点元器件查看是否缺少，对元器件进行测试；2、需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；3、先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；4、布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；5、最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温， 电烙铁不能停留太久。4.2 电路的调试及遇到的问题电路焊接完毕后，首先应检查电路的电源线和地线的走向，防止因为电源线或地线接错而导致烧
15、坏芯片或者是电源等现象；仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通电源上电调试。在调试的过程中，应该分块调试 。逐步检查单元电路，检查每个单元电路的逻辑输出和电平大小。这样就可以逐步排除，更快的查到错误的地方。在检查的过程中，不仅仅排除了 虚焊、假焊、漏焊等焊接上的失误， 还发现虽然电路原理没问题，但就是 4 个 LED 亮不起来，后来才发现是由于逻辑输出的电平过低，从而驱动不了 4 个发光二极管。经过修改原理，采用了灌电流驱动数码管的方式解决了这个问题。就是让发光二极管的正极接上了 VCC，因此逻辑输出为 0 的时候发光二极管才会亮。各个模块调试检查无误后，根据附录一原理图将各
16、模块组合，检查无误后接通电源，观察记录结果。可看到四个数码管依次点亮，会观察到 LED 灯会依次点亮，按“复位”键之后会回到第一个灯，当按下“正/逆”键，时灯亮的顺序会与原来反向。按下测速键时，数码管有数字显示，计数持续一秒后停止，即显示电机预设时间内接收到的脉冲个数。第五章 实验结论通过分析设计任务，本实验采用设计单元电路再组合成步进电机的简易逻辑控制电路。先要用 4 个 LED 模拟步进电机的工作状态，从而确定其逻辑输出，再利用 555 产生一定频率的脉冲信号，通过计数器的计数和译码器的分频，最后实现其所需要的逻辑输出，从而到达模拟的效果。本次试验基本实现了步进电机的简易逻辑控制的目的，实
17、现了设计的要求，并达到了提高要求的目标。第六章 心得与体会1、通过这次课程设计，加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。通过对他们的比较和认识，找到了简单、正确的方法。2、通过对电路条件的限制，要求能更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们对书本知识的掌握，也把我们从理论水平提高到实践水平。3、通过本次课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上 的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而 且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，
18、 并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。4、在对各种方案进行排查时，我们才了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。5、从理论到实践，在整整两星期的日子里，学到很多很多的的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.2 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，2001.3 陈有卿。555 时基集成电路原理与应用.北京：机械工业出版社，2006.4 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.NE5551 个74LS1901 个74LS2481 个100K1 个LED 灯4 个数码管1 个开关3 个0.1uf 电容1 个10uf 电容1 个100uf 电容1 个30K 电阻1 个10K 电阻3 个100 电阻4 个附录 元器件清单附录 总原理图
