微机原理课程设计报告洪望松(共27页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名： 洪望松 专业班级： 电气0902 指导教师： 徐小强 工作单位： 自动化 题 目: 步进电机设计初始条件：用汇编语言设计一个步进电机的控制，在Proteus仿真环境下完成，功能上实现步进电机的基本功能。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. 通过键盘控制步进电机的启动和停止，正转和反转；2. 编制完整的程序并调试；3撰写符合学校要求的课程设计说明书，内容包括：摘要、目录、正文、参考文献、附录（程序清单）。正文部分包括：设计任务及要求、方案比较及论证、软件设计说明（软件思想，流程，源程序设计及说明

2、等）、程序调试说明和结果分析、课程设计收获及心得体会。时间安排：1. 1月4日-1月5日 查阅资料及方案设计2. 1月5日-1月8日 编程3. 1月9日-1月11日 调试程序4. 1月12日-1月13日 撰写课程设计报告5. 1月14日 上午准备答辩，下午正式答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日专心-专注-专业目录摘要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元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机转动控制是通过操作实现电机的加速减速正转与

3、反转,广泛用于现实社会生活生产中，如高楼中的电梯，工厂中的机床。因此，研究步进电机转动控制，有着非常现实的意义。本课程设计报告通过步进电机的基本介绍、系统的软硬件设计（包括最小系统介绍、接口电路设计、延时程序设计、步进电机的驱动程序设计等几个主要模块）、完整的汇编语言程序等，我们完成了对步进电机系统的设计，并完成了相应的任务，如正转、反转、启动停止等，使我们进一步掌握了汇编语言，也使我们能很好的把书本上的知识与实践相结合，大大提高了我们的动手能力。关键字：步进电机；8086CPU；8255可编程I/O接口芯片；8253可编程定时/计数器；74LS138译码器；汇编语言 步进电机控制设计第一章

4、设计要求与思路1.1、设计的目的与要求设计目的：用汇编语言设计一个步进电机的控制，在Proteus仿真环境下完成，功能上实现步进电机的基本功能。设计要求：通过键盘控制步进电机的启动和停止，正转和反转；编制完整的程序并在Proteus仿真环境下进行调试；撰写符合学校要求的课程设计说明书，内容包括：摘要、目录、正文、参考文献、附录（程序清单）。正文部分包括：设计任务及要求、方案比较及论证、软件设计说明（软件思想，流程，源程序设计及说明等）、程序调试说明和结果分析、课程设计收获及心得体会。1.2、设计思路与构想 本步进电机控制系统通过两个键盘来控制步进电机的正传和反转，当K0接通，即K0=0时，步进

5、电机顺时针旋转，旋转的角度取决于K0接通时间长短，接通时间越长，旋转角度越大，当K1接通，即K1=0时，步进电机逆时针旋转，旋转角度同样取决于键盘接通时间长短。第二章 系统概述步进电机控制原理介绍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元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。2.1、步进电机的控制原理步进电机2 个相邻磁极之间的夹角为 60°。线圈绕过相对的2 个磁极 ,构成一相 A-A,B-B,C-C。磁极上有5 个均匀分布的矩形小齿 ,转子上没有绕组 ,而有 40

6、 个小齿均匀分布在其圆周上 ,且相邻2 个齿之间的夹角为9°当某组绕组通电时 ,相应的 2 个磁极就分别形成N-S极 ,产生磁场 ,并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐 ,则在磁场的作用下转子将转动一定的角度 ,使转子齿与定子齿对齐 ,从而使步进电机向前“走”一步。2.2 步进电机的控制方式如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流 ,就可以控制电机的转动 ,从而实现数字 角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比 ,转动的速度与脉冲频率成正比 ,而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例 ,电流脉冲的施加共有3 种方式。1 单相三拍方式 按单相绕组施加电流

7、脉冲 :AB C正转; ACB 反转。2 双相三拍方式 按双相绕组施加电流脉冲 :AB BCCA正转; ACCB AB 反转。3 三相六拍方式 单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲 : AAB B BCCCA 正转; AACCCB B BA反转。单相三拍方式的每一拍步进角为3°,三相六拍的步进角则为1.5°,因此 ,在三相六拍下,步进电机的运行反转平稳柔和,但在同样的运行角度与速度下 ,三相六拍驱动脉冲的频率需提高1 倍,对驱动开关管的开关特性要求较高。2.3步进电机的驱动方式步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特

8、性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也要有较高的负载能力。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步;而在锁步时,则加低于额定值的电压,只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样,既可以减少限流电阻的功率消耗 ,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲分配器实现。现在 ,脉冲分配器已经标准化、芯片化 ,市场上可以买到。但硬件方法结构复杂,成本也较高。图2-1步进电机驱动图2.4步进电机控制工作原理

9、步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。本次课程设计我们选用四相步进电机进行系统设计。步进电机控制工作原理系统流程图如图2-2：CPU接口驱动器步进电机负载图2-2 步进电机控制工作原理系统流程图2.4.1步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时

10、 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 2.4.2步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为四相八拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。2.5系统设计思路系统总体设计思路：本次设计采用8086作为控制的核心元件，利用8255的C口控制步进电机，同时获取控制转动方向（即正转和反转），因为步进电机是通过改变其数日脉冲来改变步进电机的输出状态的，所以此方案考虑选择开罐电路来改变其调用的子程

11、序已达到改变其输入的脉冲。故此方案使用开关电路，8255A的若干端口来实现。由步进电机的原理可以知道其状态的特点，所以，可以考虑通过改变其脉冲的顺序来改变步进电机的转向，实现正传和反转，。故此方案可以用8255的PA空和开关电路来选择各种状态的改变第三章 系统硬件软件设计本设计利用8086系统为主要控制芯片和可编程计数器/定时器8253及可编程外围接口芯片8255A设计的一个步进电机的控制系统，主要包括接口电路设计、延时程序设计、开关与计数初值的关键程序设计、步进电机驱动程序设计等模块。3.1 protues仿真软件Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的工

12、具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、8086和MSP430等，2010

13、年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、和MPLAB等多种编译。 功能特点：Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真 革命性的特点： （1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运

14、行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。 3.2最小系统介绍3.2.1.8086CPU构成的最小模式系统根据使用目的的不同，8086系统可以有最小模式和最大模式两种系统配置，两种方式的选择主要取决于硬件，当CPU引脚MN/MX端接高电平+5V时，构成最小系统，用于由8086单一微处理器构成的小系统。在这种方式下，由8086CPU直接产生小系统所需要的全部控制信号。器系统特点是：总线控制逻辑直接由8086CPU产生和控制。若有CPU以外的其他模块想占用总线，则可以向CPU提出请求，在CPU允许并响应的情况下，该模块才可以获得总线控制

15、权，使用完后，又将总线控制权还给CPU。最小系统结构示意图如图3-1:图3-1 最小系统结构示意图在最小模式系统中，除了8086CPU，存储器及I/O接口芯片外，还加入了一片8284A作为时钟发生器，二片8282/8283或74LS373作为地址锁存器，数据总线和地址总线分时复用。3.2.2 最小模式系统元器件组成介绍74HC373 74HC373中文资料:373为三态输出的八 D 透明锁存器,共有 54/74HC373 和54/74HC373 两种线路 。74373 的输出端O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时， O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

16、当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。 3.2.3 8086最小系统配置模拟图在最小模式系统中，除了8086CPU，存储器及I/O接口芯片外，还加入了二片8282/8283或74LS373作为地址锁存器，数据总线和地址总线分时复用。最小系统配置模拟图如图3-2：图3-2 最小系统模拟图3.3接口电路设计3.3.1主要元器件介绍74HC138

17、74HC138是一款高速器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分

18、配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74HC138与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。 CD74HC138 ，CD74HC238和CD74HCT138 ， CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用。74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的,在 高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。HC138 按照三位

19、二进制输入码和赋能输入条件,从8 个输出端中译出一个 低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24 线译码器不需外接门;扩展成32 线译码器,只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。复合使能输入，轻松实现扩展 兼容JEDEC标准no.7A 存储器芯片译码选择的理想选择 低有效互斥输出 ESD保护 HBM EIA/JESD22-A114-C超过2000 V MM EIA/JESD22-A115-A超过200 V 温度范围 -40+85 -40+125 多路分配功能 。 图3-3 74HC138真值表3.

20、3.2接口芯片的片选信号的产生在此系统的接口电路中，8255的端口地址从80H开始，因此8255的A、B、C和控制口的地址分别是80H，82H，84H和86H；8253的端口地址从88H开始，而8253的通道0、通道1、通道2和控制口的地址分别是88H、8AH、8CH、8EH。地址总线信号和端口地址之间的关系如下表1：表1 地址总线信号和端口地址之间的关系地 址 线端 口地 址A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000000001000000080H000000001000001082H000000001000010084H000000001000011

21、086H000000001000100088H00000000100010108AH00000000100011008CH00000000100011108EH从表格我们可以看出，A7始终为1，即高电平，所以其应该接74HC138的G1端，74HC138的1、2A（E2端）、2B（E3端）为控制端，组合为100时输出才有效（输出为低电平有效）。此时E2端连接M/为0，原因是因为M/为0即低电平时，此时CPU正在访问I/O端口。因此我们可以根据此设计译码电路，本次采用部分译码电路，译码器的0 8255的片选信号。3.3.3接口电路设计由于端口地址是偶数，所以接口电路中要取Y。接8255的片选信号

22、为0。如图3-4：图3-4 CPU与8255接口电路3.4关键模块实现3.4.1 主要元器件介绍   ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动

23、低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。 ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。ULN2003芯片引脚介绍引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各

24、达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。3.4.2 控制部分电路设计 步进电机的硬件部分主要是提供输送相序代码的并行数据线（6根），以及保护电机绕组的器件，所以借口电路以8255A为主芯

25、片，将PA口作数据口，传送加电代码，再加上锁存器74HC373做绕组保护作用。另外，还有功率。本实验中8255中PB0-PB-3分别接ULN2003中B1-B3接口。ULN2003A中4c.2c.1c接步进电机的三个端口。如图图3-5控制部分电路设计3.5 步进电机的软件设计3.5.1 程序原理流程图实现步进电机的运行方式，正反向控制，是借口软件设计的主要任务。为此，在编写程序之前，要建立一个相序表。相序表的建立应根据步进电机运行方式的要求及各绕组与8255A端口连接情况来确定加电代码。其主要流程图如下其流程图如下:图3-6 程序流程图3.5.2实验程序及分析端口地址的分配：由8086和825

26、5通讯部分电路图中数据总线接线可以算出8255四个控制端口的地址。具体算法：8086数据总线的高八位接在一片74HC373的输入端，而74HC373的输出高四位又接在一片74HC138译码器的输入端，不难看出8086搞八位应为，8086数据总线的第八位接在一片74HC373的输入端，这片74HC373的输出端又接在8255的端口地址控制线A0、A1上，当A1A0=00时选择8255的A端口，当A1A0=01时选择8255的B端口，当A1A0=10时选择8255的C端口，当A1A0=11时选择8255的控制端口。定义端口的符号地址如下： IOA EQU 8000H IOB EQU 8002H I

27、OC EQU 8004H IOCON EQU 8006H 由8255连线图可以看出，A端口是数据输入端口，B端口是数据输出端口，故8255工作在方式0，初始化程序如下： MOV AL,90H MOV DX,IOCON OUT DX,AL由步进电机工作原理，当其接收到一串正的连续脉冲时，步进电机的转子就会顺时针旋转，知道脉冲消失才会停止旋转，由此可以写出步进电机顺时针旋转的程序如下：MOT2: MOV CX,08H LEA DI,STR2IOLED2: MOV AL,DI MOV DX,IOB OUT DX,AL MOV DX,IOA IN AL,DX TEST AL,01H JE MOT1 I

28、NC DI CALL DELAY LOOP IOLED2 JMP MOT2 同理可得步进电机逆时针旋转时的程序如下MOT1: MOV CX,08H LEA DI,STR1IOLED1: MOV AL,DI MOV DX,IOB OUT DX,AL MOV DX,IOA IN AL,DX TEST AL,02H JE MOT2 INC DI CALL DELAY LOOP IOLED1 JMP MOT1 在步进电机接收到每一个脉冲的时候都调用了一段延时程序，因为8086CPU的处理速度和步进电机的运转速度相差太大，调用了该段延时程序后，8086CPU的处理速度和步进电机的运转速度才会协调，延时子

29、程序如下： DELAY:PUSH CX MOV CX,0D1HDELAY1:NOP NOP NOP NOP LOOP DELAY1 POP CX RET第四章 实验电路图全图电路仿真与调试电路仿真图如图4-1所示图4-1 整体电路图首先在ASM环境下，将步进电机的控制程序编译出来，运行没有错误后生成可执行EXE文件，然后在Proteus环境下连接出硬件电路，再将之前生成的可执行EXE文件加载到8086中，进行仿真，按下K0，电机顺时针旋转，按下K1，电机逆时针旋转。连接电路图的时候要特别注意总线的连接，连接完总线后要接标签，否则无法运行。系统工作原理：首先，8086CPU的存储单元中存入了两列

30、脉冲信号，一个供步进电机顺时针旋转，另一个供步进电机逆时针旋转。8086CPU通过数据总线高八位来控制8255工作在方式0，当键盘陪按下时，8255A端口接收到数据，并通过其八位数据线传入8086CPU中，此时8086CPU分析识别接收到的信号然后根据需求将其中一列脉冲信号通过数据总线低八位传送给8255,8255接收到脉冲信号后再将此脉冲信号通过B端口输出给步进电机，因为8255端口输出的脉冲信号电流有效值很小，不足以驱动步进电机，因而在8255的B端口和步进电机之间接入一个ULN2003的驱动芯片。这样当步进电机接收到脉冲信号后就会旋转起来。第五章 课程设计体会通过这次综合实验，我对微机原

31、理与接口技术有了更深一步的理解，提高了自己的动手能力。在实验过程中，我会遇到各种问题，我觉得除了向老师和同学请教外，我更应该学会自己解决问题。在整个过程中，查阅了不少资料，例如步进电机如何工作，速度及方向的控制等是通过自学完成。知道如何尽快读懂别人写的源程序,从中借鉴好的地方来完善自己的程序。刚开始时，我们先熟悉了实验板上那些可用的器件，初步打算是完成实验要求的基本功能即电机的启动、停转、正反转、有级调速。感觉上是挺容易的，但是到后来才发现编程是存在一些问题。在老师的悉心指导和严格要求下，我们终于完成了四相步进电机设计课程。从书本上的知识到自己亲手的课程设计，每一步对我们来说无疑是巨大的尝试和

32、挑战，也成就了我们目前在大学期间独立完成的最大的项目。记得在刚接到这个课题时，由于对相关知识不是很了解，我们都有些茫然不知所措。设计好一个步进电机需要什么专业知识？带着这个疑问我们开始了地学习和实验：去查阅相关资料、上网去了解相关的内容，渐渐头脑中的概念清晰了起来。在具体设计的过程中，我们遇到了更大的困难。我们不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，再接着提出新的问题。在这个循环往复的过程中，我们这篇稚嫩的设计日臻完善。虽然我们的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我们实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。最后我们获得收获的同时也要感谢老师和同学给予我们的帮助，没有他们，我们遇到的一些问题不可能很快的解决。参考文献1 彭虎，周佩玲，傅忠谦.微机原理与接口技术Z.北京：电子工业出版社,20082 张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术基于C51的Proteus仿真Z.北京：电子工业出版社,20093 周荷琴，吴秀清.微型计算机原理与节后技术Z.合肥：中国科技大学出版社,20084 彭虎，周佩玲，傅忠谦.微机原理与接口技术学习指导Z.北京：电子工业