1、武漢理工大學華夏學院課程設計報告書課程名稱： 微機原理與接口技術 注：為任務書上的題目，不要擅自增刪改題 目： 步進電機控制系統設計 系 名： 信息工程系 專業班級： 軟件 姓 名： 學 號： 指導教師: 2013 年 1 月 4 日（注：為設計報告完成的日期）課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師： 工作單位： 信息工程系 1.需求分析 1.1設計題目：步進電機控制系統設計1.2課程設計任務及要求1.2.1、任務：設計一個七段數碼顯示器功能要求：（1）用1個開關控制步進電機起停，分別用4個開關控制步進電機四種工作模式：1）正向慢速旋轉 2）正向快速旋轉 3）反向慢速旋轉 4）反向快速

2、旋轉（2）送電時和步進電機停止時，七段碼顯示器顯示數字“0”；運行時，分別顯示對應四種工作模式的序號1、2、3、41.2.2、設計任務要完成實驗方案論證，進行日期顯示系統電路硬件設計，畫出電路原理圖及實驗電路圖；搭建實驗電路，進行軟件編程、調試、運行以及使用說明文檔的建立等一整套工作任務。進行日期顯示系統控制程序設計（采用8086匯編語言）；系統聯調，提交一個滿足要求的步進電機控制系統設計。1.3軟硬件運行環境及開發工具：1.3.1、軟硬件運行環境利用TDN86/88實驗平臺面包板和步進電機模塊進行硬件連接，利用TDN集成開發環境進行步進電機控制系統的程序設計（采用8086匯編語言），調試，直

3、到滿足設計要求。1.3.2、開發工具實驗所使用的實驗開發設備是TDN86/88型多功能微機實驗平臺，它的硬件由基本系統、外設功能模塊和面包板實驗區三大部分，按模塊化開放式結構設計而成。微機器1.2.1初始條件：步進電機采用三相雙八拍運行方式 TDN86/88型多功能微機實驗平臺1.2.2要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）畫出硬件原理圖（接口芯片和外設部分）和實驗連線圖；用1個開關控制步進電機起停，分別用2/4個開關控制步進電機四種工作模式：1）正向慢速旋轉 2）正向快速旋轉 3）反向慢速旋轉 4）反向快速旋轉送電時和步進電機停止時，七段碼顯示器顯示

4、數字“0”；運行時，分別顯示對應四種工作模式的序號1、2、3、4時間安排：(部分時間,某些工作可以重疊進行)12月29日布置題目，確定任務、查找相關資料1月2日1月4日功能分析，硬件設計，擬定實驗電路，編寫程序，調試程序、運行系統；1月5日答辯后撰寫設計報告。1月5日下午4:00前交設計報告。具體要求：設計報告撰寫格式要求（按提供的設計報告統一格式撰寫）具體內容如下： 設計任務與要求 總體方案與說明 硬件原理圖與說明 實驗電路圖與說明 軟件主要模塊流程圖 源程序清單與注釋 問題分析與解決方案（包括調式記錄、調式報告，即在調式過程中遇到的主要問題、解決方法及改進設想）； 小結與體會附錄： 源程序

5、（必須有簡單注釋） 使用說明 參考資料指 導 教 師 簽 字： 2012年12 月 29 日系 主 任 簽 字： 年 月 日目 錄設計報告封面1第1章 需求分析21.1 課程設計題目21.2 課程設計任務及要求21.3 軟硬件運行環境及開發工具2第2章概要設計52.1 設計原理及實現方法52.1.1 步進電機控制原理52.1.2 步進電機的驅動52.1.3 運行方式與方向的控制循環查表法52.1.4 步進電機速度控制調用延時程序62.2主要芯片說明72.3步進電機控制系統流程11第3章詳細設計123.1 硬件設計與實現123.2 軟件設計143.2.1軟件設計原理分析143.2.2 代表性程序

6、段及其分析15第5章課程設計總結與體會18參考文獻18附錄： 問答與評語192. 概要設計 2.1設計原理及實現方法： 2.1.1步進電機控制原理： 步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移的一種機電式數模轉換器。步進電機旋轉的角位移與輸入脈沖的個數據成正比；步進電機的轉速與輸入脈沖的頻率成正比；步進電機的轉動方向號輸入脈沖對繞組加電的順序有關。因此，步進電機旋轉的角度位移、轉速以及方向均受輸入脈沖的控制。 2.1.2 步進電機的驅動 8086內部沒有時鐘系統，故需要外部時鐘驅動系統來給CPU提供時鐘信號。 本系統中我們采用8284A時鐘驅動芯片外加5MHz晶振的電路連接產生時鐘信號。其電路連接圖如

7、圖2-2所示。 2.1.3 運行方式與方向的控制循環查表法 步進電機運行方式是指各繞組循環輪流通電的方式。如四相步進電機有單四拍A-B-C-D/雙四拍AB-BC-CD-DA、單雙八拍AB-B-BC-C-CD-D-DA-A和雙八拍AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB幾種方式。AA AB - B - BC - C - CD - D - DADBD C B AD3 D2 D1 D00 0 0 1 A001 1 AB001 0 B011 0 BC010 0 C110 0 CD100 0 D100 1 DAC ABCDD0D1D2D3 為了實現對各繞組按一定方式輪流加電，需要一個脈沖循

8、環分配器。循環分配器可用硬件電路來實現（在此不介紹），也可以用軟件來實現。采用軟件來設計脈沖循環分配器，又有兩種方法：控制字法和循環查表法。 循環查表法是將各繞組加電順序的控制代碼制成一張表步進電機相序表，存放在內存區，再設置一個地址指針。相序表的建立，要考慮兩個因素：一是應根據步進電機運行方式的要求；二是步進電機的各繞組與數據線的對應關系。 2.1.4 步進電機運行速度的控制軟件延時法 控制步進電機速度有兩個途徑：一是硬件改變輸入脈沖的頻率，通過對定時器（如：8253）定時常數的設定，使其升頻、降頻或恒頻。二是軟件延時，或調用延時子程序。 步進電機在系統中是一種執行元件，都要帶負載，因此需要

9、功率驅動。在電子儀器和設備中，一般所需功率較小，常采用達林頓復合管作功率驅動。驅動原理與左圖所示。 2.2主要芯片說明 由于8086CPU它只是一個擁有控制和計算能力的主控芯片，而并不像如8位51單片機、16位MSP430單片機等MCU一樣可以單獨作為一片“單芯片微型計算機”，可以直接接上外設工作。因此，需要在8086的周邊接上相應的接口芯片，才能使系統有可以工作的基礎。以下，便介紹8086周邊配置及其接口電路。Intel 8086是一個由Intel于1978年所設計的16位微處理器芯片，是x86架構的鼻祖。Intel 8086擁有四個16位的通用寄存器，也能夠當作八個8位寄存器來存取，以及四

10、個16位索引寄存器(包含了堆棧指標)。資料寄存器通常由指令隱含地使用，針對暫存值需要復雜的寄存器配置。它提供64K 8 位元的輸出輸入(或32K 16 位元)，以及固定的向量中斷。大部分的指令只能夠存取一個內存位址，所以其中一個操作數必須是一個寄存器。運算結果會儲存在操作數中的一個。Intel 8086有四個內存區段(segment) 寄存器，可以從索引寄存器來設定。區段寄存器可以讓 CPU 利用特殊的方式存取1 MB內存。8086 把段地址左移 4 位然后把它加上偏移地址。大部分的人都認為這是一個很不好的設計，因為這樣的結果是會讓各分段有重疊。盡管這樣對組合語言而言大部分被接受(也甚至有用)

11、，可以完全地控制分段，使在編程中使用指針 (如C 編程語言) 變得困難。它導致指針的高效率表示變得困難，且有可能產生兩個指向同一個地方的指針擁有不同的地址。更壞的是，這種方式產生要讓內存擴充到大于 1 MB 的困難。而 8086 的尋址方式改變讓內存擴充較有效率。8086處理器的時鐘頻率介于4.77MHz(在原先的IBM PC)和10 MHz之間。 8086 沒有包含浮點指令部分（FPU），但是可以通過外接數學輔助處理器來增強浮點計算能力。 8086作為一款CPU，也是有很強的工作能力的，但是需要對其本身進行配置，他才有可能按我們的意愿進行工作。圖2-1為8086CPU配置電路。圖中：21號引

12、腳通過輕觸開關接VCC，當按下次輕觸開關的時候，系統程序將回到起始點，系統重新開始工作； 22號READY引腳接高，說明外部準備好，CPU可進行相應的操作，這樣可以讓CPU一直工作； 17號引腳接高是為了屏蔽不可屏蔽外部中斷，本系統它將不可用； 33號引腳接高表示該系統中8086工作于最小模式。8255AIntel 8086/8088 系列的可編程外設接口電路（Programmable Peripheral Interface)簡稱 PPI，型號為8255（改進型為8255A及8255A-5），具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列

13、直插式大規模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設相連接。 8255A在使用前要寫入一個方式控制字，選擇A、B、C三個端口各自的工作方式，共有三種： 方式0 ：基本的輸入輸出方式，即無須聯絡就可以直接進行的 I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設置成輸入或輸出。 方式1 ：選通I/O,此時接口和外圍設備需聯絡信號進行協調，只有A口和B口可以工作在方式1，此時C口的某些線被規定為A口或B口與外圍設備的聯絡信號，余下的線只有基本的I/O功能，即只工作在方式0. 方式2： 雙向I/O方式，只有A口可以工作在這種方式，該I/O線即可輸入又可輸出，此時C口有5條

14、線被規定為A口和外圍設備的雙向聯絡線，C口剩下的三條線可作為B口方式1的聯絡線，也可以和B口一起方式0的I/O線。8255A是一個并行輸入、輸出器件，具有24個可編程設置的I/O口，包括3組8位的I/O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I/O口：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。A口可以設置為方式0、方式1、方式2，B口與C口只能設置為方式0或方式1. 其方式控制字應按如下方式設置：這是一個8位的控制字，代表的信息也很豐富。格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D01A組控制B組控制D7=1，為該控制字的標志。A組由D6、D5、D4、D3組成。其中D6、D5為工

15、作方式選擇；D4為A口的輸入/輸出選擇；D3為C口高四位輸入/輸出選擇。如下所示：表2-3D6D5A口工作方式00方式001方式11X方式2表2-4D4輸入/輸出選擇0A口為輸出1A口為輸入表2-5D3輸入/輸出選擇0C口高四位為輸出1C口高四位為輸入B組有由D2、D1、D0組成。其中D2為工作方式選擇；D1為輸入/輸出選擇；D0為C口低四位輸入/輸出選擇。如下所示：表2-6D2B口工作方式0工作方式01工作方式1表2-7D1輸入/輸出選擇0B口為輸出1B口為輸入表2-8D0輸入/輸出選擇0C口低四位為輸出1C口低四位為輸入在本系統中，僅使用8255A的A口和B口，且設置A口為輸出，B口為輸入

16、，故可選擇8255A的工作方式0。由此，其方式控制字可為：82H、83H、8AH或8BH。8255A在系統中的連線圖如下：2.3 步進電機控制系統流程根據軟硬件分析，可以得到軟件設計流程圖如下： 3. 詳細設計 3.1.1 硬件設計與實現 步進電機接口的硬件部分主要是根據輸送相序代碼的并行數據線（8根），以及保護電機繞組的器件。3.1.2設計方案： 本次課程設計中，按要求，我們采用8086CPU作為主控制器，加上其對應的接口芯片并連接電路，通過電機驅動器驅動步進電機運行并在仿真軟件proteus中進行仿真實驗。系統框圖如下所示。3.1.3 74LS373鎖存器電路 74LS373為三態輸出的八

17、 D 透明鎖存器。 373 的輸出端 O0O7 可直接與總線相連。當三態允許控制端 OE 為低電平時，O0O7 為正常邏輯狀態，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0O7呈高阻態，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數據 D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數據電平。3.1.4 ULN2003電機驅動電路ULN2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN 復合晶體管組成。它的每一對達林頓都串聯一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原

18、先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中。可直接驅動繼電器等負載。 其內部結構和引腳圖如下：3.2 軟件設計 3.2.1軟件設計原理分析：由上面的分步設計可得到系統的總設計圖（見附件一）。由總電路圖可知，該8255A的地址為：A口地址8000HB口地址8100HC口地址8200H控制口地址8300H 步進電機分為A、B、C、D四相，因此，該步進電機控制脈沖如下：表3-2電機運行狀態控

19、制脈沖單拍正轉ABCDA單拍反轉DCBAD雙拍正轉ABBCCDDAAB雙拍反轉DCCBBAADDC單雙拍正轉AABBBCCCDDDAA單雙拍反轉DDCCCBBBAAADD 其相應的控制字如下表所示：表3-3電機運行狀態控制字單拍正轉01H02H04H08H01H單拍反轉08H04H02H01H08H雙拍正轉0CH06H03H09H0CH雙拍反轉09H03H06H0CH09H單雙拍正轉01H0CH02H06H04H03H08H09H01H單雙拍反轉08H09H04H03H02H06H01H0CH08H本次設計中采用其中四相八拍的控制方式，及上面表中的單雙拍正反轉控制，程序中加上設計的狀態指示燈后

20、控制字如下（PA口高四位為狀態位）：表3-4單雙拍正轉41H4CH42H46H44H43H48H49H41H單雙拍反轉88H89H84H83H82H86H81H8CH88H啟動11H1CH12H16H14H13H18H19H11H停止20H20H20H20H20H20H20H20H20H3.2.2 代表性程序段及其分析選取程序段及其注解如下：STACK SEGMENT STACKDW 64 DUP(?)STACK ENDSDATA SEGMENT TAB1 DB 03H,07H,06H,0EH,0CH,0DH,09H,0BH ;定義段代碼 TAB2 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H

21、DATA ENDSCODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA,SS:STACKSTART:MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV AL,90H ; ?8255A，10010000H，PA輸入，PC輸出 OUT 63H,AL ; 方式命令字寫入控制口 MOV SI,OFFSET TAB1 S: MOV AL,0 MOV BX,OFFSET TAB2 ; ；指向首地址 XLAT OUT 61H,AL IN AL,60H AND AL,04H ;；讀取開關P2的值 CMP AL,00H JZ S ; ；K2=1啟動，K2=0等待啟動 L0: IN AL,60H

22、 AND AL,03H CMP AL,00H; ；K1K0=00調用正慢程序 JZ AA1 CMP AL,01H ; ；K1K0=01調用正快程序 JZ AA2 CMP AL,02H ; ； K1K0=10調用反慢程序 JZ AA3 CMP AL,03H ; ；K1K0=11調用反快程序 JZ AA4 AA1: MOV DL,1 MOV AL,DL MOV BX,OFFSET TAB2 XLAT OUT 61H,AL MOV AL,SI CMP AL,0BH JNZ A1 SUB SI,8 A1: INC SI MOV AL,SI OUT 62H,AL ;將TAB2的當前數據讀入C口顯示 CA

23、LL DELAY1 ; ；調用短延時 JMP L0 AA2: MOV AL,2 MOV BX,OFFSET TAB2 XLAT OUT 61H,AL MOV AL,SI CMP AL,0BH JNZ A2 SUB SI,8 A2: INC SI MOV AL,SI OUT 62H,AL CALL DELAY2 ; ；調用長延時 JMP L0 AA3: MOV AL,3 MOV BX,OFFSET TAB2 XLAT OUT 61H,AL MOV AL,SI CMP AL,03H ; ；判斷是否是第一個數 JNZ A3 ; ；不是第一個數，反轉 ADD SI,8 ; ；否則加8到0BH A3:D

24、EC SI MOV AL,SI OUT 62H,AL CALL DELAY1 JMP L0 AA4: MOV AL,4 MOV BX,OFFSET TAB2 XLAT OUT 61H,AL MOV AL,SI CMP AL,03H ;判斷是否是第一個數 JNZ A4 ;不是第一個數，反轉 ADD SI,8 ; ；是，第一個數加8A4: DEC SI MOV AL,SI OUT 62H,AL CALL DELAY2 JMP L0 DELAY1:PUSH CX MOV CX,0E300H ; 修改cx的值提高轉速 ADD1: PUSH AX POP AX LOOP ADD1 POP CX RETD

25、ELAY2: PUSH CX MOV CX,04300H ; ；CX的值為循環次數 ADD2: PUSH AX POP AX LOOP ADD2 POP CX RETCODE ENDS END START第5章 課程設計總結與體會這次課程設計是我感受很多，因為這次課程設計需要自己動手動腦，把自己課堂上學到的軟件和硬件知識全部應用進來，要想完成好這次課程設計首先要弄懂步進電機的工作原理，與外部電機的連接，匯編語言等。這其中有以前課堂上學到的也有我們自學研究的，這不僅考察了自己原來的知識程度還加強了我們獨立獲取知識并加以運用的能力。 我想通過這次課程設計，我對電機的了解拓寬了對課設芯片和系統電路的認識也更為清晰了，這為我以后工作提供了堅實的基礎。 大幾天盡管過去了，看著自己的勞動成果，心里滿足欣慰，盡管時間很短并不能很深入的了解更多匯編程序的一些技巧，可我還是很感謝學校的安排，最后真的很感謝我們的老師，對我們提出比較高的要求，雖然我做的不夠好，但是也從中學到了很多知識，還有鉆研的精神，不敷衍。在這次課程設計中，使用到了匯編語言進行編程，在以前的課