步进电机控制电路的设计

来源：筏尚旅游网

任务书

课题名称指导教师（职称）执行时间步进电机控制电路的设计 XXXX 2017 ~ 2018 学年第1学期第14周 1.学会步进电机控制电路的设计；设计目的 2.学习计数、译码、显电路的设计； 3.掌握放大电路的动态参数的测试方法； 4.学习利用软件进行仿真。 1.技术指标：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。 2.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设计要求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数码管的复位。 3.设计报告要求（1）选定设计方案；（2）拟出设计步骤，画出电路；（3）利用软件进行仿真及检测。

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摘要

众所周知，随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。实践可以检验理论，如何将数字电路的设计方法和思路与电机控制电路的原理相结合，实现步进电机控制电路的设计并利用软件进行仿真？本设计在步进电机工作理论的基础上，充分结合实际，采用数字电路的相关知识，利用Proteus软件仿真和测试，设计了一个步进电机的控制电路。在完成基本要求和提高要求的基础上还进行了多处创新。

通过学习，我们知道，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件。通过分析设计任务，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。既然是数字程序控制系统，那么我们就可以用单个LED灯模拟单相步进电机的工作状态，并根据工作要求确定其逻辑输出。再利用555定时器构成的多谐振荡器产生频率可控制的脉冲信号，一方面通过74LS191计数器计其脉冲的个数，再经过74LS138译码器的分频后，最后实现其所需要的逻辑输出，从而到达模拟的效果。另一方面，通过计数器74LS160和译码器7448，并由数码管显示，从而实现步进电机转速的测量。通过滑动变阻器控制电机工作状态，通过各路开关控制步进电机的正反转和复位，数码管的复位。

只有充分掌握各种元器件的功能之后，才能将元器件的作用发挥到极致，并且能够有所创新。设计中发现，数码管显示电路中计数器直接输出给数码管即可显示脉冲数目，虽然减少了元器件，但在实际中其接线则更复杂，且功能不齐全。而利用译码器7448的“灭零”和“灭灯”功能实现数码管高位数的零不显示以及开关控制数码管和步进电机的单独工作。另外，改变多谐振荡器的RC控制电路从而改变步进电机的转速，化解步进电机单一转速的“尴尬”。同时，具有异步清零、同步预置数、保持等功能的74LS160可以添加易于控制多个数码管，满足实际需求。

关键词：步进电机；脉冲计数；数字电路；仿真；控制

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Abstract

As everyone knows, with the rapid development of microelectronics and computer technology, the demand of stepper motor is grow with each passing day, in all fields of national economy. The practice can test the theory how the principle of digital circuit design and method of motor control circuit and the combination of the design and implementation of stepper motor control circuit and simulated using the software? This design is based on the stepper motor work theory, fully combined with the actual knowledge of the digital circuits, using Proteus software simulation and test, the control circuit design of a stepper motor. The completion of the basic requirements and improve on the basis of the requirements of many innovations .

Through the study, we know that the stepper motor is the electrical pulse signal into the open-loop control of motor angular displacement or linear displacement of the actuator is the main modern digital program control system. Through the analysis of the design task, the unit circuit design and then combined into a simple logic stepper motor control circuit. Since it is a digital program the control system, so we can use a single LED lights to simulate the phase stepping motor working state, and determine the logic output according to the work requirements. The pulse signal using 555 timer multivibrator composed of a certain frequency, on the one hand, 74LS191 the number of pulse counter Then, after the 74LS138 decoder frequency, finally realize the logic output needed, to reach the effect of simulation. On the other hand, the 74LS160 decoder and the counter 7448, by the digital display, so as to realize the measurement of the speed of stepping motor. Through each switch control stepper motor reversing and reset. Reset the digital tube.

After only fully grasp the various components of the function, can be components of the function to the extreme, and the ability to innovate. In the design, digital tube display circuit to display the output tube directly counter to the digital pulse number, while reducing the components, but in practice, the connection is more complex, and the function is not complete. Using the 7448 decoder \"destroy zero\" and \"off\" function of the realization of digital tube display and a high number of non-zero digital switch control and stepper motor to work alone. In addition, the RC control circuit to change the multivibrator can change the speed of the stepper motor, stepper motor, single speed resolution\" At the same time, the 74LS160 with asynchronous zero clearing, synchronous presetting, holding and other functions can be added to easily control multiple digital tubes to meet the actual needs.

Key words: step motor; pulse count; digital circuit; simulation; control

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第1章概述 ............................................................................................................................... 1

1.1 认识步进电机 .................................................................................................................. 1 1.2 数字电路设计方法 .......................................................................................................... 3 第2章方案分析 ........................................................................................................................... 5

2.1 设计原理分析 .................................................................................................................. 5 2.2 方案的确定 ...................................................................................................................... 6 第3章单元电路设计与分析 ....................................................................................................... 9

3.1 相关数字电路知识 .......................................................................................................... 9 3.2 分析设计各单元电路 ...................................................................................................... 9 3.3 元器件整合与列单 ........................................................................................................ 16 第4章仿真与测试 ..................................................................................................................... 18 4.1 Proteus仿真软件 ............................................................................................................ 18 4.2 仿真与测试 .................................................................................................................... 20 总结 ....................................................................................................................................... 24 参考文献 ....................................................................................................................................... 25

III

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第1章概述

1.1 认识步进电机

步进电机又称脉冲电机，其功能是把电脉冲信号转化成输出轴的转角或转速。

步进电机按相数不同可分为三相、四相、五相、六相等；按转子材料的不同，可分为磁阻式（反应式）和永磁式等。目前磁阻式步进电机应用最多。 1.1.1 步进电机结构组成

图1-1是三相阻磁式步进电机的结构原理图。定子和转子都用硅钢片叠成双凸极形式。定子上有六个级，其上装有绕组，相对两个极上的绕组串联起来，组成三个的绕组，称为三相绕组，绕组数称为步进电机的相数。因此，四相步进电机，定子上应有八个极，四个绕组，五相、六相步进电机依次类推。图中转子有四个极或称为四个齿，其上为绕组。图1-2是一种增加转子齿数的典型结构。为了不增加直径，还可以按相数m做成多段式，等等。无论哪一种结构形式，其工作原理都相同。

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；是一种原理为利用电子电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移的感应电机。

图1-1 三相磁阻式步进电机原理图

图0-2 步进电机典型结构图

1.1.2 步进电机工作原理

步进电机在工作时，需有专用的驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子

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的各相绕组上。驱动电源主要由脉冲分配器和脉冲放大器两部分组成。

步进电机的定子绕组从一次通电到下一次通电称为一拍。每一拍转子转过的角度称为步距角。m相步进电机按通电方式的不同，有以下三种运行方式。

（1）m相单m拍运行

“m相”指m相电机，“单”指每次只给一相绕组通电，“m拍”是指通电m次完成一个通电循环。

以三相步进电机为例，其运行方式即为三相单三拍运行。其通电顺序为U-V-W或反之。

当U相绕组单独通电时，如图1-3（a）所示，定子U相磁极产生磁场，靠近U相转子齿1和3吸引到定子极U1和U2对齐的位置。

当V相绕组单独通电时，如图1-3（b）所示，定子绕组V相磁极产生磁场，靠近V相的转子齿2和齿4被吸引到与定子极V1和V2对齐的位置。

当W相绕组单独通电时，如图1-3（c）所示，定子W相磁极产生磁场，靠近W相的转子齿3和1被吸引到定子极W1和W2对齐的位置。

以后重复上述过程。可见，当三相绕组按U-V-W的顺序通电时，转子将顺时针方向旋转。若改变三相绕组的通电顺序，即按W-V-U的顺序通电时，转子就变成逆时针方向旋转。显然，该电机在这种运行方式下的步距角为θ=30°。

（2）m相双m拍运行

“双”指每次同时给两相绕组通电。以三相步进电机为例，其运行方式即为三相双三拍运行。其通电顺序为UV-VW-WU或反之。

当U、V两相绕组同时通电时，由于U、V两相的磁极对转子齿都有吸引力，故转子将转到如图1-4（a）所示位置。当V、W两相绕组同时通电时，同理，转子将转到图1-4（b）所示位置。当W、U两相绕组同时通电时，转子转到图1-4（c）所示位置。以后重复上述过程。可见，当三相绕组按UV-VW-WU顺序通电时，转子顺时针方向旋转，改变通电顺序，使其按WU-VW-UV顺序通电时，即可改变转子的转向。显然这种运行方式下的步距角为θ=30°。

（3）m相单、双2m拍运行

以三相步进电机为例，其运行方式即为三相单、双六拍运行。其通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU或反之。

当U相绕组单独通电时，转子将转到图1-3（a）所示位置，当U和V两相绕组同时通电时，转子将转到图1-4（a）所示位置，以后情况一次类推，所以采用这种运行方式，经过六拍菜完成一个通电循环，步距角θ=15°。 1.1.3 步进电机转速的计算

由以上的讨论可以看到，无论采用何种运行方式，步距角θ与转子齿数z和拍数N之间都存在如下关系

360 (1-1)

zN - 2 -

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由于转子每经过一个步距角相当于转了

1圈，若脉冲频率为f，则转子每秒钟转了zNf圈，故转子每分钟的转速为 zNn1.2 数字电路设计方法

数字电路的设计是从给定的逻辑功能出发，确定输入、输出变量，选择适当的逻辑器件，设计符合要求的逻辑电路。设计过程一般有方案分析、验证和修改三个阶段。 1.2.1 脉冲波形的产生与整形

在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，如时钟波形、控制过程中的定时信号等。如果需要某种特定参数的矩形脉冲信号，可以通过两种方法获取：一是通过对已有不合要求的脉冲进行整形获取；另一种方法就是通过振荡电路获取，即在没有输入信号的情况下，能自激振荡产生脉冲。

施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器不同于一般意义上的触发器，它们有多种电路结构，常见电路形式有两种：一种是门电路构成，另一种是由555定时器构成。施密特触发器和普通门电路逻辑特性相似，对输入电平敏感，特点是两个翻转阈值，输出和输入之间体现出一种滞后性，但是一旦翻转，由于内部结构的正反馈特性，翻转过程速度很快，能得到理想的脉冲波形，故一般用于脉冲整形、脉冲鉴幅、构成多谐振荡器等。单稳态触发器在特定触发条件下可以产生固定脉宽的脉冲波形，一般用于脉冲整形和定时。而多谐振荡器没有稳定态，能够自动在两个状态间转换，故用于脉冲波形的产生。 1.2.2 时序逻辑电路的设计方法

常用时序逻辑电路模块有移位寄存器、计数器以及序列信号发生器等。在设计时序逻辑电路时，要根据给出的具体逻辑问题，求出实现这一逻辑功能的逻辑电路。所得到的设计结果应力求简单。简单时序电路，是指用一组状态方程、驱动方程和输出方程就能完全描述其逻辑功能的时序电路。

时序逻辑电路的设计通常按以下步骤进行：

（1）仔细分析逻辑功能的要求，确定输入和输出；（2）状态化简；

（3）状态分配；

（4）确定触发器类型，列出状态方程、驱动方程和输出方程；（5）画逻辑图，检查电路能否自启动。 1.2.3 组合逻辑电路的设计方法

组合逻辑电路的特点是输出只与当时的输入有关，电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，如编码器、加减法器、比较器、数据选择器等都属于此类。

所谓组合逻辑电路的设计，是指根据所要求实现的逻辑功能，设计出相应的最简单逻

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60f (1-2) zNXXXX课程设计

辑电路的过程。所谓的“最简”，是指电路所用的旗舰数最少，器件的种类最少，而且器件之间的连线也最少。

组合逻辑电路的设计工作通常可按以下步骤进行：

（1）根据给定的实际问题分析其因果关系，确定输入变量和输出变量；

（2）逻辑状态赋值，用0、1两种状态分别代表输入变量和输出变量的两种不同状态；（3）根据确定的输入变量和输出变量以及逻辑赋值列出真值表；

（4）根据真值表写出逻辑函数表达式并进行化简。根据真值表写出逻辑函数表达式一般遵循的原则是：将逻辑函数取值为1对应的字变量取值组合写为一个成吉项其中自变量取值为0用反变量表示，自变量为1用原变量表示，然后将这样的乘机项加起来既得逻辑函数表达式；

（5）根据实际问题的要求将化简后的逻辑函数表达式进行变换；

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第2章方案分析

2.1 设计原理分析

通过第1章的基础知识的掌握后，还需要进一步理解本次步进电机控制电路的设计原理。

2.1.1 四相步进电机的工作原理

我们已经知道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（即步距角）。因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。如图2-1所示为本次设计的四相步进电机。四个线圈的通电情况由四个LED灯的亮灭模拟，LED灯亮表示线圈通电，否则表示不通电。

图0-1 四相步进电机原理图

图中电机线圈通电方式为四相单四拍运行，拍数N=4，转子齿数z=6。每当输入一个脉冲信号，即给一相线圈通电，电机旋转的圈数为

11 （2-1） zN24当脉冲信号频率为f，周期为T时，转子每秒钟的转速为

ff1 （2-2） nzN2424T2.1.2 整体框图分析

通过对本设计课题的设计要求和设计指标仔细研读之后，结合第1章步进电机工作原理，对于整体电路的设计需有下列单元电路组成：由脉冲信号的产生、信号控制、电机线圈（LED灯）及数码管等四个单元组成。设计原理框图如图2-2所示。

其中，数码管显示步进电机脉冲数目，因此只需要一个脉冲信号源。数码管和LED灯的驱动方式的不同，因此需两个不同的控制电路。并且要实现数码管和步进电机的复位功能，因此两个控制电路有相关连接部分。

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脉冲信号信号控制信号控制电机线圈数码管图0-2 设计原理框图

2.1.3 元器件分析

（1）脉冲信号的产生

为保持步进电机的正常工作，设计需要一个能够产生自激振荡的装置。因此，脉冲信号的产生由具有自激振荡功能的多谐振荡器完成。

（2）信号的控制信号控制又由脉冲分配器组成，其作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由计数器为代表的时序逻辑电路和译码器为代表的组合逻辑电路组成，也可以只由时序逻辑电路的环形计数器构成。

（3）显示电路

该单元分为两部分：四个LED组成的步进电机四个线圈的模拟单元以及提高要求中的数码管显示电路单元。

针对提高要求中：如何利用数码管显示输入的脉冲数目以显示电机的转速，因电机的转速可由转动圈数计算求得，而转动圈数由输入的脉冲数目控制，故用数码管显示电路间接实现电机转速的显示。而数码管显示电路由信号控制即计数器和译码显示器组成，译码显示期可由译码器和数码管组成。数码管数值与电机线圈旋转圈数的转化如下：

设数码管显示数值为X，电机旋转圈数为

X （2-3） M24设电机工作总时长为Y，因此，根据数码管间接读出电机的每秒转速为

MX（圈/秒）（2-4） nY24Y2.2 方案的确定 2.2.1 方案拟定

针对各个单元电路的设计，我们组成员又进一步进行了讨论，产生了三个设计方案：（1）方案一

脉冲信号的产生电路由555定时器接成的多谐振荡器构成，信号的控制电路由环形计数器构成，LED灯和数码管分别由两个不同的信号控制电路驱动。

（2）方案二

脉冲信号的产生电路由555定时器接成的多谐振荡器构成，信号的控制电路由计数器和译码器构成，LED灯和数码管分别由两个不同的信号控制电路驱动。

（3）方案三

脉冲信号的产生电路由施密特触发器接成的多谐振荡器构成，信号的控制电路由计数

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器和译码器构成，LED灯和数码管分别由两个不同的信号控制电路驱动。 2.2.2 方案比较与分析

针对三个方案的进行比较发现不同之处主要在信号控制电路和脉冲产生电路两个单元中。通过进一步研究555定时器接成的多谐振荡器以及施密特结成的多谐振荡器各自优缺点、环形计数器以及计数器和译码器构成的脉冲发生器各自优缺点。因此将方案一与方案二比较，方案二和方案三比较，再甄选合适方案。

（1）方案一和方案二比较

环形计数器的优点是不必加附加译码电路，结构比较简单。但是使用的触发器数目比较多，同时还必须采用能自启动的反馈逻辑电路，且竞争-冒险现象不能有效克服。计数器和译码器组成的顺序脉冲发生器适合于顺序脉冲数较多时，译码器的控制输入端可作为选通脉冲的输入端使用从而消除尖端脉冲产生的竞争-冒险现象。

（2）方案二和方案三比较

555定时器接成的多谐振荡器和施密特接成的多谐振荡器不同之处表现在振荡周期的计算。

1）对于CMOS施密特触发器，当VOH≈VDD，VOL≈0，振荡周期计算公式为

TT1T2RClnVDDVTVRClnT （2-5）

VDDVTVT2）555定时器接成的多谐振荡器工作原理

电容器C的充电电阻是R1+R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（RW+R2）充电，当充电至VC=VTH>2/3Vcc时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<1/3VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。

555定时器接成的多谐振荡器如图2-3所示。

（a） (b)

图0-3 555多谐振荡电路与波形图

由图2-3（b）中UC波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2可得到以下公式：

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T1(R1R2)ClnVCCVT(R1R2)Cln2 （2-6）

VCCVT0VTR2Cln2 （2-7）

0VTT2R2Cln故电路的振荡周期为

TT1T2(R12R2)Cln2 （2-8）

振荡频率为

f11 （2-9） T(R12R2)Cln22.2.3 确定最佳方案

在方案一和方案二的对比中可以看出方案二的设计过程要优于方案一；在方案二和方案三的对比中可以看出方案二的脉冲周期计算过程要优于方案四。综合考虑后，本次设计决定采用方案二。

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第3章单元电路设计与分析

3.1 相关数字电路知识 3.1.1 时序逻辑电路（计数器）

在数字系统中使用最多的时序电路就是计数器了，计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。计数器有同步、异步以及加法、减法、可逆之分，按数字编码方式分类，还可以分为二进制、二−十进制、格雷码等计数器。 3.1.2 组合逻辑电路（译码器）

译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另外一个代码。因此，译码是编码的反操作。在编码时，每一种二进制代码都赋予了特定的含义，即表达了一个确定的信号或者对象。译码器就是将每一组代码译为一个特定输出信号。常用的译码器电路有二进制译码器、二−十进制译码器和显示译码器三类。

二进制译码器输入的是一组二进制代码，输出的是一组与输入代码一一对应的高、低电平信号。二−十进制译码器将表示0~9十个数字的BCD码译成对应的十个输出，有四个输入，十个输出，所以也叫4线−10线译码器。

显示译码器主要应用于数字测量仪表和各种数字系统中，为了便于读取测量、运算的结果和监视数字系统的各种状态用数字量显示出来的数字显示电路，一般由数码显示器（即数码管）和译码器/驱动器组成。 3.2 分析设计各单元电路 3.2.1 多谐振荡器

在第2章中已经对555定时器构成多谐振荡器进行了分析，但由于固定的电阻R1和R2使脉冲振荡周期和频率也固定不变，这样设计的步进电机的也将只有一个转速。将其中的一个电阻换成变阻器RW便可化解这样的“尴尬”，使调节RW，可产生周期和脉宽可变

正反转按钮的方波输出，既脉冲信号。555定时器构成的多谐振荡器如图3-1所示。

RW50%100k48RVCCQDC37C150.01uf210uf1GNDCV555C2TRTH6R230k 图0-1 555定时器元件符号 - 9 -

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此时振荡周期计算公式：

T(RW2R2)Cln2 （3-1）

3.2.2 步进电机控制电路

（1）译码器的选取

一个n位二进制代码可以有2n个不同的组合，译码器将n个输入变量转换成2n个输出函数，并且每个函数对应于n个输入变量的一个最小项。

四个LED灯需由四种不同状态控制其亮灭，需2个输入变量。因此，选取集成的双2线-4线译码器74LS139即可。

图3-2所示为74LS139元件示意图。图中使能端E=1时，无论A、B为何种状态，输出全为1，译码器处于非工作状态。而当使能端E=0时，对应于A、B的某种状态组合，其中只有一个输出变量为0，其余变量输出均为1.。 231ABEY0Y1Y2Y34567图074LS139-2 74LS139元件示意图表3-1为译码器74LS139真值表。表0-1 74LS139译码器真值表输入 E 1 0 0 0 0 A × 0 0 1 1 B × 0 1 0 1 Y0 1 0 1 1 1 输出 Y1 1 1 0 1 1 Y2 1 1 1 0 1 Y3 1 1 1 1 0 由真值表可得

Y0EABYEAB 1 （3-2）

Y2EABY3EAB（2）计数器的选取

欲实现步进电机的复位和正反转控制，则计数器的选择须具备加、减法功能因此选择四位同步二进制可逆计数器74LS191较为合适。其元件符号如图3-3所示。其中，RCO为

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XXXX课程设计进位/错位信号输出端。E为使能端，当E=0，芯片工作，当E=1时，芯片保持原态。PL为预置数控制端，异步方式，可实现电机复位。CLK为串行时钟控制端。D/U为加减控制端，当D/U=0时，做加法，即电机正转；当D/U=1时，做减法，即电机反转。 151109144511D0D1D2D3CLKED/UPLTC74LS191Q0Q1Q2Q3RCO32671312 图0-3 74LS191元件示意图如表3-2所示为四位同步二进制可逆计数器74LS191的功能。表0-2 74LS191功能表 CT 0 0 0 1 LD 0 1 1 × U/D 0 0 1 × CP × ↑ ↑ × 功能置数加计数减计数保持 3.2.3 数码管显示电路在前面的测试中已经可以实现步进电机的简单控制要求，在此基础上，本设计还进行了提高要求的设计和测试，即通过数码管显示输入的脉冲数目。

（1）0-99循环显示电路的设计构思

根据实际中，步进电机的转动是一个时间较长的过程，如果只用一个数码管来显示脉冲的数目从而显示步进电机转动圈数和转速不能满足长期工作的需求。因此，本次设计创新性地设计了两个分别为0-9循环的数码管组合进行0-99循环显示。（如果实际生产中仍不满足需求，也可增加多个数码管。）

（2）数码管简介和选取

在选定译码器之前需要认识数码管，了解驱动数码管所需要的驱动信号，方便选取合适的显示译码器。

为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，目前广泛使用了七段字符显示其，或称为七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。另外，一些数码管中还在右下角处增设了一个小数点，形成了所谓的八段数码管。如图3-5所示。其内部是八段发光二极管的负极连在一起的电路，当在数码管的a、b、c、d、e、f、g加电压时

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各发光二极管就点亮，端接地。 abcdefgafgbedc 图0-4 七段字符显示数码管

以A、B、C、D表示显示译码器输入的BCD代码，以QA~QG表示输出的7位二进制代码，并规定1表示数码管中线段的点亮状态，用0表示线段的熄灭状态。则根据显示字形的要求便得到了表3-4所示的真值表。表中除列了BCD代码的10个状态与QA~QG状态的对应关系以外，还规定了输入为1010~1111这六个状态下显示的字形。

表0-3 七段显示译码器的真值表

输入数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 输出字形 A B C D QA QB QC QD QE QF QG 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 111111 001111 110011 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 根据本设计所需要数码管的显示功能，我们选取七段字符显示的共阴数码管。数码管的数量设置根据实际情况而定，因本设计只进行仿真测试，所以这里仅需要两个数码管。

（3）译码器的选取

数码管可以用TTL或CPMOS集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。

根据真值表画出表示QA~QG的卡诺图，即得到图3-5。

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XXXX课程设计

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 CD

AB 00 00 10 10 00 01 11 10 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 CD

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 （a）

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 （b）（c）

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 （d）

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 （e）

AB 00 00 10 10 00 01 11 10

1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 （f）

图0-5 BCD—七段显示译码器的卡诺图

（g）

在卡诺图上采用“合并0然后求反”的化简方法将QA~QG化简，得到

（ABCDACBD）QAQB(ACBCDBCD)QC(ABBCD)QD(BCDBCDBCD) (3-3) QE(BCD)QF(ABDBCCD)QG(ABCBCD)根据逻辑关系，通过查找相关资料选取与其逻辑关系对应的译码器，最终确定确定使用BCD—七段显示译码器7448。其元件符号如图3-6所示。

此外，译码器7448还有扩展电路功能。即BI/RBO、RBI、LT三个附加控制端。其中，LT为灯测试输入：当LT=0时，驱动数码管的七段同时点亮，可以检查该数码管各段能否正常发光。正常使用时应置为高电平。

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XXXX课程设计 RBI为灭零输入：当RBI=0时，凡数码管为“0”时都不显示，可以把不希望显示的零熄灭。本设计中在显示0~9数段时，只留有最低位数字，因此最低为接高电平，非最低位则接低电平。 BI/RBO为灭零输入/灭零输出：当其作为输入端使用时，称灭灯输入控制端。只要加入灭灯控制信号BI=0，无论ABCD的状态是什么，定可将驱动数码管的各段同时熄灭。当其作为输出端使用时，成为灭零输出端。并有公式 RBO(A•B•C•D•LT•RBI) (3-4) 上式表明，只有当输入为A=B=C=D=0，而且有灭零输入信号（RBI=0）时，RBO才会给出低电平。因此，RBO=0表示译码器已将本来应该显示的零熄灭。将RBI的灭零功能应用在本设计中高位数。使用BI/RBO的灭灯功能，作为数码管显示的开关，需要注意的是两个同时作为输入端使用时不能相连在一起，否走必然导致一个输入一个输出这样就达不到多个数码管同时灭灯的效果。可以说是再一次的创新。 71253ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514 图0-6 BCD—七段显示译码器7448元件符号 7448可以驱动共阴极数码管，基本功能如表3-4。表0-4 7448功能表输入数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 LT 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 RBI 1 × × × × × × × × × × × × × × × D C B A 0000000011111111 0000111100001111 0011001100110011 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 BI/RBO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 输出 QA QB QC QD QE QF QG 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 - 14 -

同步预置数、保持等功能的74LS160，分别表示脉冲数目的个位数和十位数，元件符号如74LS191图3-7所示。 3456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCO14131211152Q16Q27Q313RCOXXXX课程设计 14CLK4E5（4）计数器的选取 D/U11PL根据0-9的数值循环显示需一个十进制加法计数器，本次设计选取两个具有异步清零、12TCD1D2D3110974LS160图0-7 十进制加法计数器74LS160 按实现置零、预置数、保持、计数等功能的优先级别介绍图中管脚特性： MR为异步置零（复位）端，低电平置零，在次通过双闸开关与高电平连接，与步进电机的控制电路中计数器的清零功能一道实现数码管和电机的复位功能。 RCO为进位输出端，低次位依次接直高次位预置数控制端ENP，最高位不接，实现逢十进一。因LOAD为低电平置数，因此正常计数时接高电平。ENP、ENT为工作状态控制端，正常计数时接高电平。 D0~D3为数据输入段，本设计因从0开始计数，所以空接即可。表0-5 4位同步二进制计数器74LS160功能表 CLK × ↑ × × ↑ MR 0 1 1 1 1 LOAD × 0 1 1 1 ENP × × 0 × 1 ENT × × 1 0 1 工作状态置零预置数保持保持（但RCO=0）计数当MR=1、LOAD=0时，电路工作在同步预置数状态。这时计数器输出端的状态由

D0~D3决定。

当MR=LOAD=1而ENP=0、ENT=1时，计数器保持原来的状态不变。同时RCO的状态也得到保持。如果ENT=0，则ENP无论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出RCO等于0。

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XXXX课程设计

当MR=LOAD=ENP=ENT=1时，电路工作在技术状态。从电路的0000状态开始连续输入10个计数脉冲后，电路将从1001状态返回0000状态，RCO端从高电平跳变至低电平。可以利用RCO端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。 3.3 元器件整合与列单 3.3.1 原理图的绘制

至此，步进电机的控制电路已经基本设计完成，将各元器件按照相应的接法连接绘制出原理图，如图3-8所示。

SW1数码管开关SW3步进电机开关SW4复位按键D1U3U8:AQ0Q1Q2Q3RCO326713231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567R3100LED-YELLOWRV150%JP1正反转按钮100kU14R8151109144511D0D1D2D3CLKED/UPLD2R4100LED-YELLOWVCCQDC37D3R5C150.01uf210uf1GNDCV555TC12100LED-YELLOWD4C2TRTH6R230k345671029174LS191R6100LED-YELLOWU7D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U4ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514U53456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U2ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514 图0-8 步进电机控制电路原理图

3.3.2 开关的设计

图中可以看到4个开关在作用分别为步进电机开关、数码管开关、复位开关、正反转开关。

各开关设计的目的：复位和正反转可以满足基本要求和提高要求，实现电机和数码管的复位以及电机的正反转。

电机开关和数码管开关则是本设计的创新，可以实现分别控制电机和数码管的工作，当电机关闭时，数码管可以显示数值0，当数码管关闭时电机工作不受影响，并且当下一次数码管开启时可以更新至电机接受的脉冲数。 3.3.3 元器件清单

因为本设计还需要进行仿真和测试所以添加示波器进行脉冲序列的测试。将所需元器件进行统计和罗列，如表3-6所示。

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表0-6 设计所需原件清单

元件名称 555定时器 74LS191 74LS139 74LS160 7448 数码管电阻滑动变阻器电容各类开关主要参数或功能构成多谐振荡器产生序列脉冲四位同步二进制可逆计数器 2线-4线译码器异步清零、同步预置数、保持等功能的十进制加法计数器具有灭零、灭灯功能的七段显示译码器共阴的七段字符显示 4个100Ω，1个30k 100k 0.01uf，10uf 双闸、单闸等控制电机复位和正反转数量 1 1 1 2 2 2 5 1 2 若干 - 17 -

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第4章仿真与测试

4.1 Proteus仿真软件 4.1.1 Proteus简介

Proteus主要由ISIS.EXE（电路原理图设计系统）、ARES.EXE（印刷电路板设计系统）及3D浏览器构成。Proteus 8.1版的主页面如图4-1所示，可从主页分别进入Proteus的设计系统或3D浏览器。本次设计主要使用ISIS。

Proteus智能原理图输入系统（ISIS）电路设计系统不仅能做电路基础实验、模拟电路实验与数字电路实验，而且能做单片机与接口实验，为课程设计与毕业设计都能提供综合系统仿真。本次设计主要仿真数字电路实验。

由于Proteus的实际元件库以生产厂家实时更新的参数来建模，所以仿真分析与实验数据真实可信，这也是目前在实际项目中应用较多的软件。

图0-1 Proteus 8.0 Professional的主页界面

ISIS的主窗口分为：编辑窗口、期间工具窗口和浏览窗口。如图4-2所示

图0-2 Proteus中ISIS的主窗口示意图

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4.1.2 电路原理图输入系统

（1）电路原理图设计流程如图4-3所示。

开始新建设计文档新建编辑环境放置元器件原理图布线调整建立网格表电气检查否是否合格是结束

图0-3 电路原理图设计流程

（2）主要流程的方法

1）选择并放置元器件（或编辑调试工具）。

先从元件库（调试工具）中确认元器件（调试工具）至预览窗口，再在编辑窗口中单击鼠标左键，防止元器件或工具。

改变元器件（或工具）的放置方向：对象在编辑窗口时，对器件先单机鼠标右键，在弹出菜单中再单击旋转键。

删除元器件（或工具）：在编辑窗口中对要删除对象双击右键删除。拖拽元器件（或工具）：对要拖拽对象，按住左键拖到目的地。编辑元器件（或工具）：按右键选中对象，再按左键编辑（修改）元件参数。双击左键，确定并编辑参数。

2）放置连线，绘制电路图。

首先按左键单击第1个对象（元件）。再按左键单击第2个对象（元件），两者就有自动连线了。

3）对原理图作电气规则检查。

在工具菜单栏下做电气规则检查，如果有错，则根据错误提示修改，直到通过电气规则检查。

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4.1.3 Proteus中绘制原理图

按要求在Proteus中绘制原理图，如图4-4所示。

SW1数码管开关SW3步进电机开关DCBASW4复位按键D1U3U8:AQ0Q1Q2Q3RCO326713231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567R3100LED-YELLOWRV150%JP1正反转按钮100kU14R8151109144511D0D1D2D3CLKED/UPLD2R4100LED-YELLOWVCCQDC37D3R5C150.01uf210ufCV555TC12100LED-YELLOWD4GNDC2TRTH6R230k345671029174LS191R6100LED-YELLOWU7D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U4ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG13121110915141U53456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U2ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514 图0-4 Proteus软件原理图

4.2 仿真与测试

4.2.1 脉冲输入的控制和测试

由于555多谐振荡产生连续的数据脉冲，控制74LS191加减计数器脉冲端。电路采用滑动变阻器、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW1，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出，既脉冲信号。

在Proteus中利用示波器对555多谐振荡产生连续的数据脉冲进行测试。并观察LED灯能否根据输入的脉冲旋转相应的圈数。

记录此时的脉冲周期T和脉冲频率f。如图4-5为示波器对555多谐振荡器输出脉冲的测试。

图0-5 555多谐振荡器的输出脉冲波形

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由图可得出555多谐振荡器的输出脉冲周期为

T7.70.10.77s (4-1)

根据公式（3-1），将c=10uf，RW=50kΩ，R2=30kΩ代入计算出的脉冲周期的理论值为

T0.77s (4-2)

理论值与测试值之间的误差比较小，因此555定时器组成的多谐振荡器产生的波形是符合要求的。 4.2.2 开关功能测试

（1）正常运行

在Proteus中进行仿真运行，如图4-6为正常运行接受6个脉冲时的仿真图。

SW3步进电机开关DCBASW1数码管开关SW4复位按键D1U3U8:AQ0Q1Q2Q3RCO326713231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567R3100LED-YELLOWRV150%JP1正反转按钮100kU14R8151109144511D0D1D2D3CLKED/UPLD2R4100LED-YELLOWVCCQDC37D3R5C150.01uf210ufCV555TC12100LED-YELLOWD4GNDC2TRTH6R230k345671029174LS191R6100LED-YELLOWU7D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U4ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG13121110915141U53456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U2ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514

图0-6 正常运行图

（2）正反转测试

按下正反转按钮JP1时，电机反转，数码管继续计数。如图4-7所示。

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图 0-7 正反转测试图

（3）复位测试

当按下复位转按键SW2时，可以看到，电机和数码管同时复位。如图4-8所示。

（4）电机单独运行测试

当按下数码管显示开关SW1后，数码管关闭，电机继续运行。如图4-9所示。

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（5）数码管单独显示测试

当按下电机开关SW1时，电机关闭，数码管显示为0。如图4-10所示。可以发现每个开关相互，不因其它开关的断开或闭合而影响。

SW1数码管开关SW3步进电机开关DCBASW4复位按键D1U3U8:AQ0Q1Q2Q3RCO326713231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567R3100LED-YELLOWRV150%JP1正反转按钮100kU14R8151109144511D0D1D2D3CLKED/UPLD2R4100LED-YELLOWVCCQDC37D3R5C150.01uf210uf1GNDCV555TC12100LED-YELLOWD4C2TRTH6R230k345671029174LS191R6100LED-YELLOWU7D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U4ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514U53456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U2ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514

图0-10 数码管单独显示

4.2.3 电机转速的测试

仿真之前首先检查数码管出初始状态为0，运行Proteus中加时间断点的仿真测试数码管显示出的电机转速，设置时间断点为10s，数码管计数脉冲至13后停止，表示步进电机

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D3144511CLKED/UPLQ3RCO13E74LS139Y3D3R5TC12100LED-YELLOWD4R230k345671029174LS191R6100LED-YELLOWXXXX课程设计

U7D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U4ABCDBI/RBORBILTQAQBQCQDQEQFQG1312111091514接受了13个脉冲。

ENPENTCLKLOADMR74LS1607448U53456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160Q0Q1Q2Q3RCO141312111571253U2ABCDBI/RBORBILT7448QAQBQCQDQEQFQG1312111091514

图0-11 运行10s后的脉冲数目

此时，步进电机的转速为

nX130.0rad/s (4-3) 24Y2410理论值的计算：

由公式（1-2）以及公式（3-2）可以计算出电机每秒转速的理论值为电路中c=10uf，RW=50kΩ，R2=30kΩ计算可得

n0.0rad/s (4-4) 从测试值与理论值的比较可以发现，通过数码管的数值显示可以间接得出步进电机的转速。

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总结

我们知道，步进电机控制电路是利用多谐振荡器电路产生脉冲，再利用信号控制电路来控制电机的转动，操作简单且易于理解，能够方便的利用于工业当中，提高生产效率。本课题在给定设计任务和技术指标要求的基础上通过调查研究、确定设计方案、选择元件，采用数字电路的相关知识设计了一个步进电机的控制电路，利用Proteus软件进行仿真和测试后，确定该电路可以对步进电机的运行状态进行控制。

本次的设计有许多创新之处，首先，在完成基本控制要求（即实现步进电机根据输入的脉冲旋转相应的圈数，通过开关实现电机复位和正反转控制）的基础上，还添加了数码管显示电路，利用数码管显示输入的脉冲数目以显示电机转速，通过一个开关实现数码管与电机的复位。其次，设计555定时器构成多谐振荡器过程中，将其中的一个电阻换成变阻器可对电机工作状态进行控制。接着，在设计数码管显示电路过程中，摆脱单个数码管只能够显示十以内数值的弊端，创新性地加入七段显示译码器7448，并且利用译码器具有“灭零”和“灭灯”的功能，可以使高位数不显零，单独控制数码管的显示和关闭。最后，通过四个不同功能的开关控制电机和数码管的四种不同状态。

此次课题设计，分组进行，设计中，不仅学会分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过思考、查询参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；通过观察、判断、实验、再判断的基本方法解决实验中出现的一般故障；通过对测试结果地进行分析，并与组员之间相互比较和分析，进而得出具有普遍性的结论。

通过此次课题设计，巩固和运用了在《数字电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握数字电路的一般设计方法，提高了设计能力和仿真测试分析能力。培养一定的自学能力、分析问题的能力和解决问题的能力。如果能够继续开展关于专业的课题设计实践，通过严格的科学训练和设计实践，不仅能够巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能，也为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。

由于本次课题设计时间有限，存在最大的不足之处就是没有充分的利用软件来控制，只是利用简单的集成电路来控制，如果能够利用软件来控制步进电机，其功能将更加的强大，给工业的发展带来更多的方便，实现电子自动化控制是必然趋势。如果下步可以对课题进行完善，我们会在这些方面继续探究，用实践检验理论，将理论用于实际，创新出更加科技的产品和设计。

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