步進電動機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、成績 課程設(shè)計報告題 目 步進電動機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計 課 程 名 稱 微機原理及應(yīng)用 院 部 名 稱 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 課程設(shè)計地點 工科樓 C304 課程設(shè)計學(xué)時 20 指 導(dǎo) 教 師 金陵科技學(xué)院教務(wù)處制摘 要步進電機是工業(yè)生產(chǎn)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于它可以直接接受計算機輸出的數(shù)字信號，而不需要進行數(shù)/模/轉(zhuǎn)換，用起來非常方便。此次微機原理的課程設(shè)計，是對計算機系統(tǒng)和微處理器以及匯編語言、外圍芯片的研究學(xué)習(xí)。本設(shè)計就是基于8086CPU的微機控制，利用匯編語言、74273、74LS244芯片、ULN

2、2003A驅(qū)動等綜合應(yīng)用實例，連接上硬件驅(qū)動電機電路，通過對按鍵輸入信號的檢測實施對步進電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 關(guān)鍵詞：8086CPU；正反轉(zhuǎn)；步進電機目 錄摘要一、概述1.1 課程設(shè)計的目的 1.2 課程設(shè)計的要求二、總體設(shè)計方案及說明2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.2 系統(tǒng)工作框圖三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 8086微處理器的簡介3.2 74273和74LS244芯片的簡介3.3 ULN2003A的簡介3.4 步進電機的工作原理3.5 微型處理器最小控制模塊3.6按鍵輸入模塊3.7驅(qū)動電動機模塊3.8系統(tǒng)電路原理圖四、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計 4.1 系統(tǒng)流程圖 4.2 系統(tǒng)軟件源程序五、課程設(shè)計體會

3、5.1 系統(tǒng)調(diào)試 5.2 問題分析與解決方案 5.3 心得體會六 、參考文獻附錄：原理圖一、概述1.1 課程設(shè)計的目的通過本課程設(shè)計，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟，掌握系統(tǒng)總體控制方案的設(shè)計方法。使學(xué)生進一步掌握微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)方法，輸入/輸出(I/O)接口技術(shù)，應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)，并能結(jié)合專業(yè)設(shè)計簡單實用的微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)。針對課堂重點講授內(nèi)容使學(xué)生加深對微型計算機硬件原理的理解及提高匯編語言程序設(shè)計的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計搭建了微機系統(tǒng)應(yīng)用平臺，提高學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力。1.2 課程設(shè)計的要求步進電動機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計一個步進電動機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng),要求：1）系統(tǒng)功

4、能：點動SW1按鍵控制步進電動機正轉(zhuǎn)，點動SW2按鍵控制步進電動機反轉(zhuǎn)，點動SW3按鍵控制步進電動機停止，在進行相應(yīng)操作時，對應(yīng)LED將被點亮。按下SW4按鍵使步進電機在所設(shè)定的一級速度下運轉(zhuǎn)，按下SW5使步進電機在所設(shè)定的二級速度下運轉(zhuǎn)，按下SW6使步進電機在設(shè)定的三級速度下運轉(zhuǎn)，按下SW7使步進電機在滿轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)；2）給出系統(tǒng)設(shè)計方案，畫出硬件連線圖，并說明工作原理；3）畫出程序框圖并編寫程序；4）軟硬件聯(lián)調(diào)，完成系統(tǒng)工作調(diào)試；在以上工作基礎(chǔ)上完成課程設(shè)計報告，包括設(shè)計任務(wù)與要求，總體方案說明，電路原理圖與說明，軟件流程圖和源程序清單，問題分析與解決方案，結(jié)論與體會，參考資料等。二、總體設(shè)

5、計方案與說明2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計是用Proteus軟件對步進電動機正反轉(zhuǎn)電路的硬件電路進行設(shè)計，系統(tǒng)軟件部分用匯編語言編好的源程序?qū)⑵鋵?dǎo)入8086微處理器中，對整個電路進行運作控制。本設(shè)計是基于8086形成的最小微處理器的控制系統(tǒng)，由它對按鍵的輸入信號進行檢測，如果按的是停止鍵則電動機不轉(zhuǎn)動，如果檢測到正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，則給步進電動機一個循環(huán)有規(guī)律的脈沖，如果步進電機轉(zhuǎn)動方向變化即控制電機輸入的脈沖順序即可改變轉(zhuǎn)動方向。74273鎖存器和ULN2003A驅(qū)動模塊的控制，鎖存器74273的進一步輸出對74154譯碼器的輸出進行控制。外接的按鍵模塊輸入的信息反饋到8086微處理器中，最終80

6、86微處理器控制通過控制ULN2003A反向器電路的輸入，進而控制電動機的正反轉(zhuǎn)。該設(shè)計的驅(qū)動電路是由ULN2003A芯片驅(qū)動電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的，在驅(qū)動負載的時候，電流是由電源通過負載灌入ULN2003A的。2.2 系統(tǒng)工作框圖：片選信號2片選信號18086CPU總線驅(qū)動器數(shù)據(jù)鎖存器地址鎖存器顯示電路按鍵模塊電機驅(qū)動電路地址譯碼步進電機三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 8086微處理器的簡介Intel 8086是一個由Intel于1978年所設(shè)計的16位微處理器芯片，是x86架構(gòu)的鼻祖。不久，Intel 8088就推出了，擁有一個外部的8位數(shù)據(jù)總線，允許便宜的芯片用途。它是以8080和8085的設(shè)計

7、為基礎(chǔ)，擁有類似的寄存器組，但是數(shù)據(jù)總線擴充為16位?？偩€界面單元透過6字節(jié)預(yù)存的隊列喂指令給執(zhí)行單元，所以取指令和執(zhí)行是同步的，8086 CPU有20條地址線，可直接尋址1MB的存儲空間，每一個存儲單元可以存放一個字節(jié)（8位）二進制信息。 8086微處理器結(jié)構(gòu)包括總線接口單元(BIU)和執(zhí)行單元 (EU)還有BIU和EU的管理?？偩€接口部件由下列各部分組成： 4個段地址寄存器： CS16位的代碼段寄存器； DS16位的數(shù)據(jù)段寄存器； ES16位的擴展段寄存器； SS16位的堆棧段寄存器； 16位的指令指針寄存器IP； 20位的地址加法器； 6字節(jié)的指令隊列緩沖器。執(zhí)行部件由下列幾個部分組成：

8、 8個通用寄存器：即AX、BX、CX、DX,BP,SP,SI,DI ； 其中，4個數(shù)據(jù)寄存器：AX、BX、CX、DX； 2個地址指針寄存器：BP,SP； 2個變址寄存器：SI,DI； 標(biāo)志寄存器FR； 算術(shù)邏輯單元ALU。 8086的引腳：8086有40個個引腳，采用雙列直8086有40插式封裝，引腳信號的分布如圖3所示。8086引腳信號分為三類，即基本引腳信號、最小工作模式信號和最大工作模式信號?；疽_信號 AD15 AD0：地址/數(shù)據(jù)分共用引腳。在總線周期T1狀態(tài)傳送地址，T2T4狀態(tài)傳送數(shù)據(jù)。8086與主存連接時低8位數(shù)據(jù)線接存儲器偶地址單元，高8位數(shù)據(jù)線接奇地址單元，由AD0和BHE

9、組合選擇。A19/S6A16/S3：地址/狀態(tài)分時共用引腳?？偩€周期T1時輸出高4位地址A19A16，T2T4時作為狀態(tài)標(biāo)志。其中S6為0時，表示AD15 AD0作為數(shù)據(jù)線。BHE/S7：T1時為高8位數(shù)據(jù)允許 BHE；其余時間作為狀態(tài)信號S7，但S7未定義。RD：讀命令，輸出，T2開始低電平有效，啟動一次讀操作。CLK：時鐘信號，輸入，占空比為1:3。RESET：輸入，高電平有效，需保持4個時鐘周期。復(fù)位后CPU結(jié)束當(dāng)前操作，IP、DS、SS、ES和指令隊列清0，CS置為FFFFH。CPU從FFFF0H單元開始執(zhí)行程序。READY：準(zhǔn)備好，輸入，高電平有效，表示主存/外設(shè)準(zhǔn)備就緒，即可讀/寫

10、數(shù)據(jù)。若READY為低電平，需在T3之后插入TW。最小工作模式引腳信號M/IO：存儲器I/O選擇，輸出，高電平，讀/寫存儲器，低電平，讀/寫I/O設(shè)備。8088與之相反。WR ：寫命令，輸出，T2開始低電平有效，啟動一次寫操作。3.2 74154和74LS244芯片介紹74154譯碼器這種單片4 線16 線譯碼器非常適合用于 高性能存儲器的譯碼器。當(dāng)兩個選通輸入G1 和G2 為低時, 它可將4 個二進制編碼的輸入譯成16 個互相獨立的輸出之一。實現(xiàn)解調(diào)功能的辦法是：用4 個輸入線寫出輸出線的地址，使得在一個選通輸入為低時數(shù)據(jù)通過另一個選通輸入。當(dāng)任何一個選通輸入是高時，所有輸出都為高。74LS

11、244緩沖器74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動器。74LS244沒有鎖存的功能。地址鎖存器就是一個暫存器，它根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來。8086/8088數(shù)據(jù)和地址總線采用分時復(fù)用操作方法，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂贰Ｋ饕糜谌龖B(tài)輸出，作為地址驅(qū)動器、時鐘驅(qū)動器、總線驅(qū)動器和定向發(fā)送器等。引腳圖： 1A11A42A12A4 輸入端；/1G /2G 三態(tài)允許端(低電平有效)1Y11Y42Y12Y4 輸出端3.3 ULN2003A的簡介ULN2003A是一個7路反向器電路，它的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個上拉電阻，在輸入低電平的時候輸出才是高

12、電平。在驅(qū)動負載的時候，電流是由電源通過負載灌入ULN2003A的。ULN的引腳圖：特點：高電壓輸出50V ；輸出鉗位二極管；輸入兼容各種類型的邏輯電路；應(yīng)用繼電器驅(qū)動器3.4 步進電機電動機（Motors）是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子鼠籠式式閉合鋁框形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關(guān)。電動機

13、工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉(zhuǎn)動。在本設(shè)計中，我們使用單雙八拍運行方式的步進電機，即控制正轉(zhuǎn)時，電機繞組的通電順序為：ADDDCCCBBBAA；反轉(zhuǎn)時，電機繞組的通電順序為:AABBBCCCDDDA。其工作原理示意圖如下：開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相

14、繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。3.5微處理器最小控制模塊在本設(shè)計中該微處理器最小控制模塊電路由8086微處理器、三個74273八D觸發(fā)器、以及74154譯碼器等組成。8086有20位地址線，其中高4位A19-A16與狀態(tài)線S6-S3分時復(fù)用，低16位AD15-AD0與數(shù)據(jù)線分時復(fù)用。該模塊用74273對A0A19和BHE對應(yīng)的21個端口進行數(shù)據(jù)的鎖存。與外部硬件電路的連接的I/O部分由4線-16線譯碼器74154組成，用來分配I/O硬件地址。3.6按鍵輸入模塊在本設(shè)計中該模塊電路由按鍵SW1SW3經(jīng)過排阻與74LS244三態(tài)8位

15、緩沖器連接，并由74LS244將信號通過地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線AD0-AD3四個端口輸入給8086微處理器中。由8086對信號進行分析確定是正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的哪一種輸入狀態(tài)，最終確定電機的運動狀態(tài)。 3.7驅(qū)動電動機控制模塊在本設(shè)計中該模塊電路是由驅(qū)動芯片ULN2003A驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的，步進電機脈沖信號由8086芯片發(fā)出，由數(shù)據(jù)線AD0-AD7經(jīng)過鎖存器74273傳送到步進電機的驅(qū)動芯片，再由驅(qū)動芯片輸出的數(shù)據(jù)信號帶動步進電機運轉(zhuǎn)。反應(yīng)電動機運動狀態(tài)的三個LED顯示燈是由74273鎖存器的三個端口直接驅(qū)動的。3.8系統(tǒng)電路原理圖四 、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計4.1 系統(tǒng)流程圖SI=SI+1電動機停止轉(zhuǎn)動停

16、止鍵是否按下SI<8反轉(zhuǎn)鍵是否按下正轉(zhuǎn)鍵是否按下停止鍵是否按下SI=SI+1SI<8開始電動機初始化讀出開關(guān)的輸入狀態(tài)正轉(zhuǎn)鍵是否按下電動機正轉(zhuǎn)MOV SI,0延時MOV SI,0電動機反轉(zhuǎn)延時反轉(zhuǎn)鍵是否按下是 否否 是是 是否 否是 否是 否 是否 是否4.2系統(tǒng)軟件源程序：.MODEL SMALL.8086.STACK.CODE.STARTUP MOV DX,0200H MOV AL,0B3H OUT DX,AL 電動機停止，停轉(zhuǎn)指示燈亮AGAIN: MOV DX,0400H IN AL,DX 讀入開關(guān)狀態(tài)TEST AL,01H JZ CLOCKWISE 電動機正轉(zhuǎn)TEST AL

17、,02HJZ UNCLOCKWISE 電動機反轉(zhuǎn)JMP AGAINCLOCKWISE: MOV SI,0 電動機正轉(zhuǎn)開始LOP0: MOV DX,0200H MOV AL,FFWSIOUT DX,ALCALL DELAYMOV DX,0400HIN AL,DXTEST AL,02H 檢測反轉(zhuǎn)按鍵是否按下JZ UNCLOCKWISETEST AL,04H 檢測停止按鍵是否按下JZ STOPINC SICMP SI,8JB LOP0 繼續(xù)正轉(zhuǎn)循環(huán)JMP CLOCKWISEUNCLOCKWISE:MOV SI,0 電動機反轉(zhuǎn)開始LOP1: MOV DX,0200HMOV AL,REVSIOUT DX

18、,ALCALL DELAYMOV DX,0400HIN AL,DXTEST AL,01H 檢測正轉(zhuǎn)按鍵是否按下JZ CLOCKWISETEST AL,04H 檢測停止按鍵是否按下JZ STOPINC SICMP SI,8JB LOP1 繼續(xù)反轉(zhuǎn)循環(huán)JMP UNCLOCKWISESTOP: MOV DX,0200H MOV AL,0B3H OUT DX,AL 電動機停止，停轉(zhuǎn)指示燈亮JMP AGAINDELAY PROC NEARPUSH BXPUSH CXMOV BX,25DEL1: MOV CX,295DEL2: LOOP DEL2DEC BXJNZ DEL1POP CXPOP BXRETD

19、ELAY ENDP.DATAFFW DB 069H,068H,06CH,064H,066H,062H,063H,061H 單雙八拍 正轉(zhuǎn)REV DB 051H,053H,052H,056H,054H,05CH,058H,059H 單雙八拍 反轉(zhuǎn)END五 、課程設(shè)計體會5.1 系統(tǒng)的調(diào)試 按下停止按鈕時，停轉(zhuǎn)指示燈亮，步進電動機停止轉(zhuǎn)動。運行結(jié)果如圖所示 按下正轉(zhuǎn)按鈕時，正轉(zhuǎn)指示燈亮，步進電動機開始正轉(zhuǎn)。運行結(jié)果如圖所示按下反轉(zhuǎn)按鈕，反轉(zhuǎn)指示燈亮，步進電動機開始反轉(zhuǎn)，運行結(jié)果如圖所示5.2 問題分析與解決方案該課程設(shè)計運用的是無條件傳送控制方式，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，即CPU與外接口交換信息。在運行調(diào)試過程中8086處理器起到主控制作用，1、當(dāng)把運行程序加載到8086微處理器模塊中運行時，如果三個指示燈全部亮?xí)r，可能是輸入運行程序的問題或者是Protues軟件的版本問題