清华大学微机原理课程设计.doc
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《微机原理与接口技术》课程设计
项目：
步进电机转动控制的设计
院系：
信息科学技术学院
专业班级：
姓名：
学号：
指导老师：
时间:
目录
前言
第一章步进电机的工作原理
1.1步进电机的工作原理
1.2步进电机的驱动原理
第二章步进电机转动控制的要求与设计方案
2.1步进电机的控制与要求
2.2设计方案的确定
第三章步进电机转动控制的的硬件电路
3.1步进电机的硬件框图
3.2 8255控制部分及开关控制
3.3ULN2803部分的设计
第四章步进电机转动控制的软件设计
4.1主程序流程图
4.2主程序及其注释
第五章步进电机控制程序的调试
5.1硬件调试
5.2软件调试
5.3调试过程
第六章步进电机控制的拓展
6.1拓展功能一
6.2拓展功能二
第七章设计体会与小结
附录
附录一系统硬件原理图
附录二参考文献
前言
微机原理与接口课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。
步进电机转动控制具有设计简单应用广泛的特点，非常适合作为课程设计课题。
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。
通过本次课程设计，我提高如何综合运用所学知识解决时间问题的能力，以及获得有关项目管理和团队合作等等众多方面的具体经验，增强对相关课程内容的理解和掌握能力，培养对整体课程知识综合运用和融会贯通的能力。
此次步进电机转动控制利用8255A芯片，以8088微处理器作为CPU，A口为输出，C口为输入来控制步进电机转动，拨动开关来调节速度。
第一章步进电机的工作原理
1.1步进电机的工作原理
该步进电机为一四相步进电机，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。
图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图：
图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图2.a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c.八拍
图2步进电机工作时序波形图
1.2步进电机的驱动原理
步进电动机是一种数字元件，易于数字电路接口，但一般数字电路的信号的能量远远不足以驱动步进电动机。
因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电动机。
对步进电动机驱动一般有如下要求：
（1）能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。
（2）具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。
（3）具有较高的功率及效率。
步进电动机的驱动方式很多，如单极性驱动、双极性驱动、高低压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动等。
第二章步进电机转动控制的要求与设计方案
2.1步进电机的控制要求
使用汇编语言外加K0-K7等一系列的开关实现对步行电机转速与方向的控制（实现两个以上功能）：
1.启动与停止控制：
用户拨动某一指定键后可以实现电机的启动与停止的控制；
2.方向的控制：
用户将某一指定键拨向上可以实现电机的正转，拨向下实现电机的反转；
3.速度的控制：
用户将另一指定键拨向上可以实现电机的加速转动，拨向下实现电机的减速转动；
4.综合控制：
用户一起拨动上述的按键后可以实现电机的加速正转，减速反转等操作；
5.扩展功能：
自主创新，综合运用微机原理与接口技术的知识扩展2个功能。
2.2设计方案的确定
选用TN88\86实验箱与微机，通过在实验箱构造硬件电路，主要是利用8255A芯片单元模块、步进电机单元模块。
通过微机编程与下载到实验箱上。
实现软硬结合控制步进电机的转动。
第三章步进电机转动控制的硬件电路
3.1步进电机的硬件框图
1、按图3连接线路，用8255输出脉冲序列，开关K0～K6控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。
2、PA0～PA3接电机的驱动端；PC0～PC7接K0～K7。
3、编写程序实现步进电机的顺时针旋转控制。
当K0~K6中任一开关为“1”（向上拨）时步进电机启动，全部为“0”时步进电机停止，其中K0为“1”时速度最慢，K6为“1”时速度最快。
K7为“1”（向上拨）时步进电机顺时针转动，为“0”（向下拨）时逆时针转动。
图3步进电机的接入线路图
3.28255控制部分及开关控制
8255的片选信号CS接288H～28FH。
PA0～PA3接电机的驱动端；PC0～PC7接K0～K7。
8255A芯片一般占用四个连续的口地址，按照从高到低分别为：
控制口、C口、B口、A口。
如图4所示：
8255共有三种工作方式：
方式0：
基本输入输出；
方式1：
中断工作方式；
方式2：
双通输入输出，仅有A口。
D7—D0:
10001001A口输出，C口输入。
MOVDX,P55CTL
MOVAL,89H；（89H=10001001B,为控制字）
OUTDX,AL
图48255A管脚分配图
3.3ULN2803部分的设计
由于集成电路集驱动和保护于一体，作为小功率步进电动机的专用驱动芯片，ULN2803是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，如图5所示：
图5ULN2803示意图
该电路的特点如下：
ULN2803的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTLCMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2803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。
ULN2803A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。
ULN2803的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
输出电流大，故可以用来直接驱动步进电机，如图6所示：
图6Seriesuln2803a
第四章步进电机转动控制的软件设计
4.1主程序流程图
开始
8255初始化，A口输出，C口输入
33H=>BUF
BUF内容从8255A口输出
读开关状态
K0=1?
K1=1?
K3=1?
K2=1?
K5=1?
K4=1?
K6=1?
置停止信息
控制循环信息右移一位
控制循环信息左移一位
延时
延时
K7=1?
置延时时间
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
N
N
图7主程序流程图
选用8255的A口做输出，C口做输入。
BUF输出给电机驱动端，通过检测开关，赋给不同的延时值和不同的移位命令，改变转速转向。
不停的循环输出，使得电机转动。
通过改变CX的赋值来控制电动机的转动速度。
CX越小电动机的转动速度越大。
也可以通过改变BL的值来改变单个开关的速度。
我们把CX称为总开关，BL成为分开关。
从而达到从K0到K6速度逐渐变快，而K7控制电动机的反转。
当K7闭合时电动机反转
4.2主程序及其注释
源程序如下：
P55AEQU60H;8255A口输出
P55CEQU62H;8255C口输入
P55CTRLEQU63H;8255控制口
DATASEGMENT
BUFDB0
DATAENDS
CODESEGMENT
ASSUMECS:
CODE,DS:
DATA
START:
MOVDX,P55CTRL
MOVAL,89H
OUTDX,AL;8255C输入，A输出
MOVBUF,33H
OUT1:
MOVAL,BUF
MOVDX,P55A
OUTDX,AL
IN1:
MOVDX,P55C
INAL,DX;读开关状态
TESTAL,01H
JNZK0
TESTAL,02H
JNZK1
TESTAL,04H
JNZK2
TESTAL,08H
JNZK3
TESTAL,10H
JNZK4
TESTAL,20H
JNZK5
TESTAL,40H
JNZK6
STOP:
JMPOUT1
K0:
MOVBL,10H;00010000B
SAM:
TESTAL,80H;K7是否为1
JZZX0
JMPNX0
K1:
MOVBL,18H;00011000B
JMPSAM
K2:
MOVBL,20H;00100000B
JMPSAM
K3:
MOVBL,40H;01000000B
JMPSAM
K4:
MOVBL,80H;10000000B
JMPSAM
K5:
MOVBL,0C0H;11000000B
JMPSAM
K6:
MOVBL,0FFH;11111111B
JMPSAM
ZX0:
CALLDELAY
MOVAL,BUF
RORAL,01H;循环右移
MOVBUF,AL
JMPOUT1
NX0:
CALLDELAY
MOVAL,BUF
ROLAL,01H;循环左移
MOVBUF,AL
JMPOUT1
DELAYPROCNEAR
DELAY1:
MOVCX,0100H
DELAY2:
LOOPDELAY2
DECBL;减1指令
JNZDELAY1;ZF位标志是否为1
RET
DELAYENDP
CODEENDS
ENDSTART
第五章步进电机控制程序的调试
5.1硬件调试
5.1.1断电调试
为了安全，首先进行断电调试，用万用表检测系统是否有短路现象，再检查严原理是否正确。
经检测，原理正确也没有短路现象。
5.1.2通电调试
打开电源，下载程序，看是否正常。
5.2软件调试
将写好的源程序在软件上编译连接，直接下载到实验箱，观察现象。
经过多次调试后达到了设计要求。
5.3调试过程
在第一次下载后运行时，电机不转动，查找原因，发现电源接口没有接对，经修改后运行正确。
调整后接线如图8所示：
图8调整后接线
第六章步进电机控制的拓展
6.1拓展功能一
实现步进电机的正反转与加速的时间控制,具体过程如下:
正转加速一段时间，然后停止5秒，然后反向加速一段时间，然后再正转，如此循环往复.
源程序如下：
MODEEQU080H;8255方式控制字
CTLEQU8000H;8255端口A地址
CONTRLEQU8003H;8255控制寄存器地址
AEQU01H
BEQU02H
CEQU04H
DEQU08H
QSEQU300;步进电机转过的圈数
DATASEGMENT
DLY_CDW0;DLY_C用以控制延时的长短以实现步进电机的加速
SOURCEDBA,A+B,B,B+C,C,C+D,D,D+A;步序表,使电机的工作方式为单/双8拍
DATAENDS
CODESEGMENT
ASSUMECS:
CODE,DS:
DATA
START:
MOVAX,DATA;初始化数据段
MOVDS,AX
********************
;初始化8255,使8255的A口输出.
********************
MOVDX,CONTRL;8255的控制寄存器地址送DX
MOVAL,MODE;8255的A口输出,故初始化控制字为80H
OUTDX,AL;将控制字从8255输出以配置8255的工作方式
MOVDX,CTL;将A口地址送DX
MOVAL,0;将0送AL
OUTDX,AL;8255的端口写0以实现初始化
MOVDLY_C,300H;延时初始值
MOVCX,QS;将步进电机的圈数300送CX
6.2拓展功能二
实现的功能是让电机正向加速,速度达到最大值后匀速转动。
源程序如下：
ZZ:
MOVBX,0;将0送BX,让电机的初始步为A
NEXT1:
MOVDX,CTL;将8255的A口地址送DX
MOVAL,SOURCE[BX];将电机的步序送AL
OUTDX,AL;将步序表中的第一个步序通过A口输出
CALLDELAY;调用延时子程序,用来控制电机转速
INCBX;BX加1,为取下一个步序做准备
CMPBX,7
JBENEXT1;判断电机是否已经走完8拍
PUSHCX;保存CX的值,因为下面还要用到CX
MOVCX,DLY_C;将DLY_C的值送CX
DECCX;CX（即DLY_C）减1以实现加速
CMPCX,100H;CX与100H比较,判断电机转速是否已经达到最大值
JNENN1;若电机转速尚未达到最大值,则转向NN1
INCCX;若电机转速已经达到最大值,则CX加1以实现电机匀速转动
NN1:
MOVDLY_C,CX;将CX的值送DLY_C以实现在一个循环
POPCX;恢复CX
LOOPZZ;CX减1,让电机转下一圈
第七章设计体会与小结
通过本次课程设计，使自己的动手实践与所学知识结合应用的能力有了很大的提高，让我认识到实践的重要性，但同时要实际应用过和当中，也发现理论知识的重要性，没有理论知识的支撑，是不能很好的完成本次课程设计的。
本次设计步进电机转动控制，通过我掌握了的微机原理与接口技术知识，查资料、百度、请教同学老师等等。
虽然，知识固然重要，但废寝忘食般的研究态度和乐于助人的品格更需要提倡。
通过利用8255A芯片来实现步进电机控制转动的设计应用，不仅为以后的学习实践打下了基础，并且很好的消化了所学知识的难点、问题。
在设计过程当中也发现了自己经验的不足。
首先是对试验箱的认识和应用，很多模块的使用存在误解。
然后就是在编程序方面的，有好多程序只是一知半懂，不能熟练地操作，需要提示和看书，需要大量的练习，为以后的学习指明方向。
在完成自己所涉及项目后参与到其他同学的项目里，共同研究学习，互相帮助，不仅帮助了他人，还扩展了自己的实践能力。
感谢指导老师提供给我们实践课本知识的机会，并且认真地陪同学生一起设计课程设计，奠基了以后自主研究设计项目的能力
附录：
附录一：
系统硬件原理图
附录二
参考文献：
【1】丁继斌，邓利民.电机学.北京：
化学工业出版社，2008.5.
【2】陈光军，傅越千.微机原理与接口技术.北京：
北京大学出版社，2007.1.
【3】吕勇，徐雅娜.微机原理与接口技术教程与实训.北京：
北京大学出版社，2006.1.
【4】彭虎，周佩玲，傅忠谦.微机原理与接口技术.第二版.北京：
电子工业出版社，2008.3
【5】沈美明，温冬婵.IBM-PC汇编语言程序设计.北京：
清华大学出版社，1993.
【6】艾德才.Pentium/80486实用汇编语言程序设计.北京：
清华大学出版社，1997.
【7】M.RafiquzzamanFundamentalsofDigitalLogicandMicrocomputerDesign
AJOHNWILEY&SONS,INC.,PUBLICATIONJUNE6,2005.
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