武汉理工大学数字电子技术步进电机数电课程设计报告资料

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目: 步进电机的控制及驱动电路设计与制作初始条件：本设计既可以使用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路，以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件。

本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱动电路。

自行设计所需电源。

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。

2、技术要求：①设计一个方波发生器提供系统时钟；②设计一个步进电机的驱动信号发生器，可以实现电机正转/反转控制和转速控制；③要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机；④要求可以实现步进电机的单相或双相激励；⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，阐述基本原理。

⑥绘制总体电路原理图。

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、2015 年6 月19 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2015 年6 月20 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。

2、2015 年6 月21 日至2015 年 6 月28 日，方案选择和电路设计。

2、2015 年6 月28 日至2015 年 6 月30 日，电路调试和设计说明书撰写。

3、2015 年7 月1 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

课设答疑地点：鉴主14楼电子科学与技术实验室。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (III)Abstract (IV)1 绪论 (1)2 工作原理及方案选择 (2)2.1 控制器的论证与选择 (2)2.2 驱动器的论证与选择 (3)2.3 系统总体方案 (3)3 电路设计及仿真 (4)3.1 步进电机 (4)3.1.1 步进电机构造 (4)3.1.2 步进电机工作原理 (4)3.1.3 步进电机主要参数 (6)3.2 主控制器部分 (6)3.3 驱动器部分 (7)3.4 键盘部分 (8)4 系统软件设计 (9)4.1 系统软件开发工具 (9)4.2系统流程图 (10)4.3 软件编程 (10)5 仿真记录 (12)6 心得体会 (15)参考文献 (16)附录1 整体电路图 (17)附录2 源程序清单 (18)附录3 元件清单 (24)本科生课程设计成绩评定表 (25)摘要步进电机能接受步进脉冲的控制一步一步地旋转，它是计算机应用项目中的主要执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动电路以及相应的按键实现以上功能。

本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。

该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：步进电机、单片机、电机驱动AbstractStepper motor can accept the step pulse control rotate one step at a time, and it is an one of the main components of the computer application program, especially in the precise positioning has been widely used in occasions. Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program, through the microcontroller,motor drive circuit as well as the corresponding button to achieve the above functions. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, the system hardware circuit, program composition, at the same time on the software and hardware debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function.Keywords: Stepper motor, microcontroller, motor drive《数学电子技术基础》课程设计说明书步进电机的控制及驱动电路设计与制作1 绪论传统上由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路一般较复杂，成本又高，而且一旦成型就难于修改，可移植性差，难以适应一些智能化要求较高的场合。

单片机的普及与应用，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，将会避免复杂电路的设设计，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。

本文主要介绍了步进电机的基本原理及AT89C51单片机的性能特点。

设计主要研究了一种基于AT89C51单片机和三极管驱动电路的步进电机控制及驱动电路系统。

该系统可分为：控制模块、驱动模块、人机交互模块四大部分。

其中采用AT89C51单片机作为控制模块的核心，利用单片机编程实现了对步进电机启动停止、正转反转、加速减速等功能的基本控制。

驱动模块由四个9012三极管驱动步进电机工作；按键部分由相应的按键实现相应的功能。

通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器，具有结构简单、可靠性高、实用性强、人机接口简单方便、性价比高等特点。

2 工作原理及方案选择根据实验要求，电路应包含电源，控制信号发生器（控制模块），步进电机，功率放大器（驱动模块），按键模块等。

设计框图如下：图12.1 控制器的论证与选择方案一：采用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路，以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件连接电路简单，这种设计功能主要由硬件实现，减少了软件设计，然而这样的系统可扩展性差，连线复杂。

方案二：采用FPGA控制方案。

FPGA内部具有独立的I/O接口和逻辑单元，使用灵活，适用性强，且相对单片机来说，还有速度快、外围电路较少和集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。

但是FPGA的成本偏高，算数运算能力不强，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。

方案三：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为系统的控制器。

AT89S52有40个引脚、32个独立的I/O口、2个外部中断和3个定时器\计数器，虽然相对FPGA来说在功能和速度上有点差异，但单片机软件编程灵活，可用软件较简单地实现各种逻辑控制，并且由于成本低、体积小、技术成熟和功耗小等特点。

综上，由于单片机的优良特点，选择方案三。

2.2 驱动器的论证与选择驱动模块电路结构设计需要脉冲信号、信号分配、功率放大三部分组成。

控制模块产生一个脉冲序列和方向控制信号，使用脉冲分配器将脉冲序列分解形成四相正反相序，然后经功率放大驱动步进电机。

方案一：使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。

但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂，参数选择困难，且需要多级放大，同时又要考虑功率的放大。

方案二：采用高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003作为步进电机的驱动，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。

ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

方案三：采用双极型PNP三极管9012组成的放大电路作为步进电机的驱动，9012是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是PNP型小功率三极管。

，由9012与电阻组成的驱动电路为饱和导通状态，能输出较大电流，成本小，容易焊接。

综上由于三极管驱动电路的工作一致性，且连线简单，所以采用集方案三。

2.3 系统总体方案系统采用AT89S52单片机作为控制器，选用普通5V六线四相步进电机，以9012三极管构成的开关电路作为驱动器，按键模块采用4个独立按键实现步进电机的起停、正反转、加速和减速。

3 电路设计及仿真3.1 步进电机图2 图33.1.1 步进电机构造步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。

最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。

3.1.2 步进电机工作原理步进电机工作原理：该设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机，它是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。

图4是该四相步进电机工作原理示意图。

图4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。