《微型计算机控制技术》课程设计步进电机角度控制.doc

目录摘要11.设计目的22. 设计要求23. 设计原理23.1.步进电机23.2.8086CPU引脚介绍43.3.8255A介绍63.4.ULN200384. 设计方案94.1.设计电路图94.2.控制电路方框图94.2.1.按键部分104.2.2. 显示部分11小结总结与体会12参考文献13附录: 程序清单14摘要21世纪是一个信息化日益加快的时代，它对人才的需求也呈现出新的变化趋势。对计算机的掌握已成为了当今时代对人才考验的一项重要指标；大学计算机公共课程也面临着新的机遇和挑战。基于此事实，本次课程设计注重了当代学生在实践能力上的培养，本次课程设计，老师通过给学生布置一定的设计任务，而学生分组时间完成，从而达到对学生的锻炼。汇编语言是联系C等高级语言到机器语言的重要编程语言，其指令是机器指令的一种符号表示，具有很强的机器相关性；也基于此，可以实现执行效率的很大提高。本次课程设计是基于8086的步进电机角度控制系统设计，通过键盘输入控制步进电机角度转动。关键词：计算机控制技术 汇编语言 8086 步进电机步进电机角度控制1.设计目的设计制作和调试一个由8086组成步进电机角度测控系统。通过这个过程学习熟悉键盘控制和七段数码管的使用，掌握步进电机的角度控制和角度显示方法。2. 设计要求(1)在显示器上显示任意四位十进制数(2)将8个键定义键值为07，按任意键在显示器上显示对应键值(3)实现：定义键盘按键：5个为数字键15；3个功能键：设置SET、清零 CLR、开始START；显示器上第一位显示次数，后三位显示每次行走的角度；通过键盘的按键，设置步进电机各次的角度值；第一位设置次数，后三位设置角度值。按START键启动步进电机开始转动，按SET键停止；按CLR键清零。3. 设计原理3.1.步进电机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步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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。图3-1 步进电机原理图步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。要使步进电机转动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。步进电机的步进过程可以用图来说明。图是一个四相反应式步进电机，其定子的每相都有一对磁极，每个磁极都只有一个齿，即磁极本身，故四相步进电机有四对磁极共8个齿；其转子有6个齿，分别称为0、1、2、3、4、5齿。直流电源U通过开关、分别对步进电机的A、B、C、D相绕组轮流通电。3.2.8086CPU引脚介绍 图3-2 8086cpu引脚图 （1） AD15 AD0（address data bus）：地址/数据总线，双向，三态。这是一组采用分时的方法传送地址或数据的复用引脚。根据不同时钟周期的要求，决定当前是传送要访问的存储单元或I/O端口的低16位地址，还是传送16位数据，或是处于高阻状态。（2） A19/S6A16/S3（address/status）：地址/状态信号，输出，三态。这是采用分时的方法传送地址或状态的复用引脚。其中A19A16为20位地址总线的高4位地址，S6S3是状态信号。S6表示CPU与总线连接的情况，S5指示当前中断允许标志IF的状态。S4, S3的代码组合用来指明当前正在使用的段寄存器。S4, S3的代码组合及对应段寄存器的情况。 （3） B()H()E()/S7（bus high enable/status）：允许总线高8位数据传送/状态信号，输出，三态。为总线高8位数据允许信号，当低电平有效时，表明在高8位数据总线D15 D8上传送1个字节的数据。S7为设备的状态信号。（4） R()D()（read）：读信号，输出，三态，低电平有效。信号低电平有效时，表示CPU正在进行读存储器或读I/O端口的操作。（5） READY（ready）：准备就绪信号，输入，高电平有效。READY信号用来实现CPU与存储器或I/O端口之间的时序匹配。当READY信号高电平有效时，表示CPU要访问的存储器或I/O端口已经作好了输入/输出数据的准备工作，CPU可以进行读/写操作。当READY信号为低电平时，则表示存储器或I/O端口还未准备就绪，CPU需要插入若干个“TW状态”进行等待。（6） INTR（interrupt request）：可屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。8086 CPU在每条指令执行到最后一个时钟周期时，都要检测INTR引脚信号。INTR为高电平时，表明有I/O设备向CPU申请中断，若IF1，CPU则会响应中断，停止当前的操作，为申请中断的I/O设备服务。（7） T()E()S()T()（test）：等待测试控制信号，输入，低电平有效。信号用来支持构成多处理器系统，实现8086 CPU与协处理器之间同步协调的功能，只有当CPU执行WAIT指令时才使用。（8） NMI（non-maskable interrupt）：非屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。当NMI引脚上有一个上升沿有效的触发信号时，表明CPU内部或I/O设备提出了非屏蔽的中断请求，CPU会在结束当前所执行的指令后，立即响应中断请求。（9） RESET（reset）：复位信号，输入，高电平有效。RESET信号有效时，CPU立即结束现行操作，处于复位状态，初始化所有的内部寄存器。复位后各内部寄存器的状态，当RESET信号由高电平变为低电平时，CPU从FFFF0H地址开始重新启动执行程序。 （10） CLK（clock）：时钟信号，输入。CLK为CPU提供基本的定时脉冲信号。8086 CPU一般使用时钟发生器8284A来产生时钟信号，时钟频率为5MHz8MHz，占空比为1:3。 （11） VCC电源输入引脚。8086 CPU采用单一5V电源供电。（12） GND：接地引脚。（13） MN/M()X()（minimum/maximum）：最小/最大模式输入控制信号（14） M/I()O()（memory I/O select）：存储器、I/O端口选择控制信号。信号指明当前CPU是选择访问存储器还是访问I/O端口。为高电平时，访问存储器，表示当前要进行CPU与存储器之间的数据传送。为低电平时，访问I/O端口，表示当前要进行CPU与I/O端口之间的数据传送。 （15） W()R()（write）：写信号，输出，低电平有效。信号有效时，表明CPU正在执行写总线周期，同时由信号决定是对存储器还是对I/O端口执行写操作。（16） I()N()T()A()（interrupt acknowledge）：可屏蔽中断响应信号，输出，低电平有效。CPU通过信号对外设提出的可屏蔽中断请求做出响应。为低电平时，表示CPU已经响应外设的中断请求，即将执行中断服务程序。 （17） ALE（address lock enable）：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。CPU利用ALE信号可以把AD15 AD0地址/数据、A19/S6A16/S3地址/状态线上的地址信息锁存在地址锁存器中。（18） DT/R()（data transmit or receive）：数据发送/接收信号，输出，三态。DT/信号用来控制数据传送的方向。DT/为高电平时，CPU发送数据到存储器或I/O端口；DT/为低电平时，CPU接收来自存储器或I/O端口的数据。（19） D()E()N()（data enable）：数据允许控制信号，输出，三态，低电平有效。 信号用作总线收发器的选通控制信号。当为低电平时，表明CPU进行数据的读/写操作。（20） HOLD（bus hold request）：总线保持请求信号，输入，高电平有效。 在DMA数据传送方式中，由总线控制器8237A发出一个高电平有效的总线请求信号，通过HOLD引脚输入到CPU，请求CPU让出总线控制权。 （21） HLDA（hold acknowledge）：总线保持响应信号，输出，高电平有效。 3.3.8255A介绍Intel 8086/8088 系列的可编程外设接口电路（Programmable Peripheral Interface)简称 PPI，型号为8255（改进型为8255A及8255A-5），具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路。它是一片使用单一+5V电源的40脚双列直插式大规模集成电路。8255A的通用性强，使用灵活，通过它CPU可直接与外设相连接。 （1） D0-D7:三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。（2） CS：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。（3） RD：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。（4） WR：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。（5） Vcc：+5V电源。（6） PA0-PA7：A口输入/输出线。（7） PB0-PB7：B口输入/输出线。（8） PC0-PC7：C口输入/输出线。图3-3 8255A引脚图（9） RESET：复位信号线。（10） A1、A0：地址线，用来选择8255内部端口。（11） GND：地线。方式0 ：基本的输入输出方式，即无须联络就可以直接进行的 I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分别设置成输入或输出。方式1 ：选通I/O,此时接口和外围设备需联络信号进行协调，只有A口和B口可以工作在方式1，此时C口的某些线被规定为A口或B口与外围设备的联络信号，余下的线只有基本的I/O功能，即只工作在方式0。方式2： 双向I/O方式，只有A口可以工作在这种方式，该I/O线即可输入又可输出，此时C口有5条线被规定为A口和外围设备的双向联络线，C口剩下的三条线可作为B口方式1的联络线，也可以和B口一起方式0的I/O线。 3.4.ULN2003ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。 ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003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TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。 ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。图3-3 ULN2003引脚图引脚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4. 设计方案4.1.设计电路图本次设计要求实现用按键控制并用数码显示管显示步进电机的转动次数和每次转动的角度。一般情况，要实现上述功能通常是使用单片机进行来进行控制控制，单片机作为整机的控制单元进行功能定时，并利用P口产生矩形脉冲来控制步进电机转动，在显示单元用数码管的动态显示来显示次数和角度。而本课程设计要求用8086CPU进行控制，利用8255作为中间接口电路，在驱动方面可采用ULN2003芯片驱动电机，最终用数码管显示，所以，其基本电路结构如下图所示：图4-1 电路结构图4.2.控制电路方框图主要由8086CPU分、中间接口部分、驱动部分、步进电机部分，键盘部分，显示等部分组成。8086CPU是该系统的核心部分，电机的角度控制主要是通过它控制的。通过键盘可以设定要转动的角度。由8086CPU检测哪一个按键按下，实现设定值的修改，并通过数码管实时显示设定值以及测得角度。8086 CPU中 间 接 口显 示 部 分驱 动 部 分键 盘 部 分步 进 电 机图4-2控制流程图4.2.1.按键部分键盘是一组按压式开关的集合，是微机系统不可缺少的输入设备，用于输入数据和命令。键盘的每一个按键都被赋予一个代码，称为键码。键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭合，求闭合键的键码。根据这一过程的不同，键盘可以分为两种，即编码键盘和非编码键盘。编码键盘通过一个编码电路来识别闭合键，非编码键盘是通过软件来识别键码。由于非编码键盘的硬件电路简单，用户可以方便地增减键的数量，因此在单片机系统中应用广泛。4.2.2. 显示部分程序代码如下：DISPLAY: MOV SI,OFFSET XUAN MOV DI,OFFSET TABLE ADD SI,CX MOV DX,CON MOV AL,0FH OUT DX,AL MOV AL,SI MOV DX,PC OUT DX,AL NOP NOP JMP CHECK0 显示部分是由四位七段数码管分别显示转动的次数和转动的角度。将显示缓冲区首地址送R2，指向最左边一位，然后取出要显示的数据，指向换码表首地址，取出显示码，从PB口输出显示码，P1口输入位选码，显示出1位剩余次数，最后修改显示缓冲区，求下一位位选码继续显示。小结总结与体会时光飞逝，一转眼，一个学期又进尾声了，本学期的计算机控制课程设计也在两周内完成了。俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是做好设计的预习，认真的研究老师给的题目，选一个自己有兴趣的题目。其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便，也要注重程序的调试，掌握其方法。当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次课程设计，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次课程设计所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，培养了综合应用的能力,对芯片的各个管脚的功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。通过这次课程设计我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。参考文献1 彭虎等.微机原理与接口技术（基于16位机）. 电子工业出版社，20052 姚燕南.微型计算机原理与接口技术. 高等教育出版社，20043 于海生.微型计算机控制技术. 清华大学出版社.20044 钱晓捷.汇编语言程序设计.电子工业出版社.20035 刘永华.微机原理与接口技术.清华大学出版社.20066 黄海萍.汇编语言与微机接口技术实验教程. 国防工业出版社.20077 陆鑫、康建明.微机原理与接口技术.机械工业出版社,2005.98 Graham C.Goodwin&Stefan F.Graebe&Mario E.Salgado. Control system design.清华大学出版社，20029 karl J.Astrom，Bjorn Wittenmark. Computer control system theory and design.清华大学出版社，200210 Gene F.Franklin & J.David Powell.Dynamic system of digital control.清华大学出版社，2001附录: 程序清单STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK ENDSDATA SEGMENTSTEPDB 0x10，0x30，0x20，0x60，0x40，0xc0，0x80，0x90;TABLEDB 01H，03H，06H，0CH，09H;双四拍XUAN DB 0x7f, 0xbf, 0xdf, 0xefDATA ENDSPA EQU 200HPB EQU 201HPC EQU 203HCON EQU 204HCODE SEGMENT ASSUME CS:CODESTART : MOV DX,CON;8255控制口地址 MOV AL,1000 0010H ;PA口输出,B口输入 OUT DX,AL ;写控制字CHECK0: MOV AX,00H MOV DX,CON OUT DX,AX MOV DX,PA IN AX,DX CMP AL,0FFH JE CHECK0 MOV CX,05FFH DELAY: LOOP DELAY ;延时消抖 MOV CL,3 MOV AH,0 MOV AL, 0FBHCONTIN: PUSH AX MOV DX,CON OUT DX,AL MOV DX,PA IN AL,DX MOV AH,AL CMP AH,0FFH JNE NEXT POP AX ROR AL,1 LOOP CONTIN JMP CHECK0NEXT: MOV CH,CL ;保存行值至CH MOV CL,2BEGIN0: SHL AH,1 JNC GOON LOOP BEGIN0 JMP CHECK0GOON: MOV BL,CL ;保存列值至BL DEC CH MOV CL,4 SHL CH,CL ADD BL,CH MOV BH,0 MOV CX,BX ;显示码偏移量送CXDISPLAY: MOV SI,OFFSET XUAN MOV DI,OFFSET TABLE ADD SI,CX MOV DX,CON MOV AL,0FH OUT DX,AL MOV AL,SI MOV DX,PC OUT DX,AL NOP NOP JMP CHECK0