微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

1、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)班 級(jí)：電升本1103 姓 名：何世寧 學(xué) 號(hào)：29小型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一、 課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是本科教學(xué)全過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)(實(shí)踐)課程設(shè)計(jì)主要培養(yǎng)我們自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)際問(wèn)題能力，進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言綜合編程能力、程序調(diào)試技能和微機(jī)系統(tǒng)接口綜合應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)能力。1、學(xué)習(xí)在PC系統(tǒng)中擴(kuò)展簡(jiǎn)單的IO接口的方法。2、熟練掌握和運(yùn)用匯編和C語(yǔ)言編寫程序控制8255各口的輸入輸出，并正確帶動(dòng)數(shù)碼管及步進(jìn)電機(jī)；能熟練運(yùn)用匯編和C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)8254的定時(shí)功能，以確保8255輸出的脈

2、沖頻率穩(wěn)定。3、熟練掌握ISA總線配置方式下硬件實(shí)驗(yàn)的調(diào)試,并能獨(dú)立的排除故障,以確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。4、.鞏固和加深課堂所學(xué)知識(shí)；5、學(xué)習(xí)掌握一般的軟硬件的設(shè)計(jì)方法和查閱、運(yùn)用資料的能力；6、通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作，深入了解與掌握步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式、方向、速度、啟/停的控制。二、 設(shè)計(jì)的題目名稱及要求設(shè)計(jì)題目：小型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求：（1）分別用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程完成硬件接口功能設(shè)計(jì)；（2）基于80x86微機(jī)接口硬件電路設(shè)計(jì)調(diào)試；（3）控制功能要求：小鍵盤給定分段速度，數(shù)碼管顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)與停止、方向、速度信息；（4）具有本地與遠(yuǎn)程（串行方式下）功能。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3、PC機(jī)一臺(tái)（裝有TDPIT軟件）、唐都AEDK8688ET實(shí)驗(yàn)箱。使用硬件：8086 PC，8255芯片，鍵盤數(shù)碼管，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)：鍵盤采用實(shí)驗(yàn)板提供的4*4鍵盤，使用4個(gè)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。四、設(shè)計(jì)的思想和實(shí)施方案4.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單

4、。步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 1、步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。2、失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成:使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：脈沖

5、信號(hào)的產(chǎn)生:脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。下圖步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 圖1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)sb接通電源，sa、sc、sd斷開(kāi)，b相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和c、d相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和d、a相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)sc接通電源，sb、sa、sd斷開(kāi)時(shí)，由于c相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和c

6、相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和a、b相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍圖2.步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 4.1.2 8255A的功能簡(jiǎn)介 Intel 8086/80

7、88 系列的可編程外設(shè)接口電路（Programmable Peripheral Interface)簡(jiǎn)稱 PPI，型號(hào)為8255（改進(jìn)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腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強(qiáng)，使用靈活，通過(guò)它CPU可直接與外設(shè)相連接。8255A在使用前要寫入一個(gè)方式控制字，選擇A、B、C三個(gè)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(wú)須聯(lián)絡(luò)就可以直接進(jìn)行的 I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設(shè)置成輸入或輸出。方式1 ：選通I/O,此時(shí)接口和

8、外圍設(shè)備需聯(lián)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)，只有A口和B口可以工作在方式1，此時(shí)C口的某些線被規(guī)定為A口或B口與外圍設(shè)備的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，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，步進(jìn)電機(jī)8086CPULED數(shù)碼顯示模塊小鍵盤輸入模塊8255模塊電機(jī)狀態(tài)顯示模塊CPU 8255LED顯示模塊 步進(jìn)電機(jī)模塊 鍵盤掃描模塊本次設(shè)計(jì)，對(duì)8255的使用是這樣的：8255工作于方式0，A口低四位接鍵盤及數(shù)碼管顯示單元的X1X4;C口低四位接鍵盤及數(shù)碼管顯示單元的Y1Y4; C口高四位接步進(jìn)電路的驅(qū)動(dòng)電路，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；B口接數(shù)碼管的A、

9、B、C、D、E、F、G和DP，以使數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。8255的A口高四位本次課程設(shè)計(jì)沒(méi)有用到。此外，本次設(shè)計(jì)還用到了實(shí)驗(yàn)箱中的鍵盤及數(shù)碼管顯示單元：方向鍵：控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向，無(wú)論電機(jī)處于運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)，每按下一次，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向反向；運(yùn)行/暫停鍵：控制電機(jī)運(yùn)行與否。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)按下，電機(jī)暫停，當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行參數(shù)不變，再次按下時(shí)，電機(jī)繼續(xù)按暫停前參數(shù)運(yùn)行；停止鍵：無(wú)論電機(jī)處于任何狀態(tài)，按下此鍵，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)各運(yùn)行參數(shù)復(fù)位，默認(rèn)參數(shù)為：“順時(shí)針，停止?fàn)顟B(tài)，1檔”；檔位鍵：無(wú)論電機(jī)處于任何狀態(tài)，均可設(shè)定電機(jī)檔位。數(shù)碼管顯示信息： 左起第一個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)：S(Stop）表

10、示當(dāng)前電機(jī)為停止?fàn)顟B(tài)；E(Enable)表示當(dāng)前電機(jī)為運(yùn)行狀態(tài)；P(Pause)表示當(dāng)前電機(jī)為暫停狀態(tài)。第二個(gè)數(shù)碼管未使用，只有小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮。第三個(gè)數(shù)碼管顯示電機(jī)運(yùn)行方向：C(Clockwise)表示電機(jī)運(yùn)行方向?yàn)轫槙r(shí)針；A(Anti-clockwise)表示電機(jī)運(yùn)行方向?yàn)槟鏁r(shí)針。第四個(gè)數(shù)碼管顯示電機(jī)的檔位：1、2、3、4分別表示1、2、3、4檔。鍵盤數(shù)碼管內(nèi)部連線如下圖：五、硬件電路原理圖圖 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理如上圖示：該原理圖涉及到系統(tǒng)總線、可編程外圍接口芯片8255、鍵盤及數(shù)碼管顯示單元和步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路8255的D0D7 依次接系統(tǒng)總線的XD0XD7，A1和A0依次接系統(tǒng)總

11、線的XA3和XA2;WR和RD 依次接系統(tǒng)總線上的XIOW和XIOR；8255的CS接系統(tǒng)總線的IOY0, 8255的A口低四位PA0PA4依次接小鍵盤的X1X4(列)；C口低四位PC0PC3分別接小鍵盤的Y1Y4(行)； C口高四位PC4PC7依次接驅(qū)動(dòng)電路的A、B、C和D；B口PB0PB7分別接數(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G和DP;A口高四位沒(méi)用到。圖 步進(jìn)電機(jī)模塊此模塊的主要功能是通過(guò)接收8255的C口輸入信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，A,B,C,D分別代表不同的四個(gè)相位，分別接入到PC0,PC1,PC2和PC3,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。 圖 LED模塊六、課程設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法在本次課程

12、設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到了一下問(wèn)題：首先，在顯示模塊中，在做數(shù)碼管顯示時(shí)，每次可以輸出四位信息，而且要輸出的字符須轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的ASCII才行，否則就不能輸出想要的東西。顯示模塊的調(diào)試一般是程序問(wèn)題，硬件連接很簡(jiǎn)單，一般不會(huì)出錯(cuò)，我在調(diào)試時(shí)，開(kāi)始沒(méi)有初始化8255，導(dǎo)致結(jié)果不能輸出。再就是相應(yīng)的端口一定不能定義錯(cuò)誤。這在顯示模塊調(diào)試中應(yīng)該多注意。在剛開(kāi)始編程時(shí)，各種功能大部分是由主程序來(lái)完成的。由于主程序過(guò)于復(fù)雜，可讀性不高。使得在以后的程序的調(diào)試中遇到了很大的麻煩。后來(lái)把主程序的部分功能轉(zhuǎn)化成子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在一些重要的地方增加了注釋，使的程序的可讀性大大加強(qiáng)。調(diào)試也變的比較簡(jiǎn)單了。其次，在使用小鍵

13、盤時(shí)容易死機(jī)。出現(xiàn)死機(jī)的原因有很多，有時(shí)候同一個(gè)程序換臺(tái)機(jī)子運(yùn)行就會(huì)死機(jī)，有時(shí)候同一臺(tái)機(jī)子同一個(gè)程序運(yùn)行多次就會(huì)死機(jī)，不過(guò)總的來(lái)看死機(jī)的出現(xiàn)多少是和所編寫的程序有關(guān)，記得我以前用小鍵盤時(shí)就是很容易就死機(jī)了，不過(guò)在這次的課程設(shè)計(jì)中 我把所有的和小鍵盤有關(guān)的程序都用了子函數(shù)代替，大大簡(jiǎn)化了主程序的結(jié)構(gòu)，這樣就基本再也沒(méi)發(fā)生過(guò)死機(jī)現(xiàn)象了。再者，當(dāng)小鍵盤按下不松時(shí)電機(jī)也停止轉(zhuǎn)動(dòng)這種情況出現(xiàn)在電機(jī)的加速、減速和改變轉(zhuǎn)向中，這主要是在原有的keyscan程序中有一段判斷按鍵是否彈起的程序，將此段換成一個(gè)合適的軟件延時(shí)便可以起到很好的效果（按鍵不松時(shí)可以連續(xù)的加速和減速）。再就是寄存器的使用問(wèn)題。在編程時(shí)，

14、子程序的調(diào)試也是相當(dāng)重要，由于子程序不可避免的使用AXBXCXDX通用寄存器一個(gè)或幾個(gè)。使得原主程序中的通用寄存器的內(nèi)容很容易被覆蓋,對(duì)子程序中所有的通用寄存器出入棧即可以避免上訴的問(wèn)題，不用考慮使用的是哪幾個(gè)寄存器，使用起來(lái)又比較簡(jiǎn)單方便。數(shù)碼轉(zhuǎn)換問(wèn)題，首先查找許多相關(guān)的典型程序，例如：十六位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制BCD碼，可將AX中的二進(jìn)制數(shù)先后除以1000，100，10，每次除法所得的商，即是BCD的千位、百位和十位數(shù)，余數(shù)是個(gè)位。TRAN: PUSH CX SHL DX,CL PUSH DX XCHG AL,AH SUB DX,DX SUB AH,AH MOV CX,1000 MOV

15、CL,10 DIV CX DIV CL XCHG AX,DX ADD DL,AL MOV CL,4 MOV CL,4 SHL DX,CL SHL DX,CL MOV CL,100 ADD DL,AH DIV CL MOV AX,DX ADD DL,AL POP DX MOV CL,4 POP CX而在算術(shù)運(yùn)算方面也遇到了不少的問(wèn)題，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著小數(shù)所以很多時(shí)候總會(huì)出現(xiàn)算術(shù)方面錯(cuò)誤，具體表現(xiàn)為結(jié)果的溢出或者結(jié)果小數(shù)點(diǎn)位置錯(cuò)誤。解決的方法通常是先將所要計(jì)算的數(shù)值乘以10、100等使得數(shù)值為整數(shù)，然后再進(jìn)行計(jì)算，而在結(jié)果輸出時(shí)再除以相映的數(shù)值從而實(shí)現(xiàn)小數(shù)的算術(shù)運(yùn)算功能，而不需要采用定義浮點(diǎn)型

16、去計(jì)算小數(shù)以避免出現(xiàn)數(shù)值定義的錯(cuò)誤。另一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤就是自定義存儲(chǔ)空間之間的數(shù)值存放，因?yàn)樵谠S多時(shí)候總是需要將結(jié)果保存在某一段存儲(chǔ)空間里面，由于對(duì)存儲(chǔ)空間的定義使得其大小范圍各有不同，所以對(duì)其賦值時(shí)總是會(huì)出現(xiàn)溢出或數(shù)值轉(zhuǎn)換的錯(cuò)誤。而在子程序調(diào)用以循環(huán)方面存在的問(wèn)題是指針的計(jì)數(shù)以及標(biāo)志位清零或置1搞錯(cuò)從而使子程序運(yùn)算錯(cuò)誤或者進(jìn)入死循環(huán)等。所采取的解決方法是對(duì)指針計(jì)數(shù)值在各個(gè)部分運(yùn)算結(jié)束后進(jìn)行清零以保證指針初值的正確。最后的問(wèn)題就是DOS系統(tǒng)功能調(diào)用和BIOS中斷調(diào)用，因?yàn)楸菊n題設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)軟件時(shí)鐘，所以需要對(duì)軟件延遲以及中斷調(diào)用有一定的了解，對(duì)此在設(shè)計(jì)時(shí)查閱了一些相關(guān)的軟件中斷命令。當(dāng)個(gè)模塊都調(diào)

17、試成功后，即可合成到一起運(yùn)行。本系統(tǒng)電機(jī)的速度可以通過(guò)速度增減鍵來(lái)控制。通過(guò)驗(yàn)證各按鍵是否被有效采用，來(lái)檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否正確的完成了指定的功能。七、收獲與體會(huì)通過(guò)本次微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這學(xué)期學(xué)習(xí)的微型計(jì)算機(jī)原理有了一個(gè)良好的、整體的認(rèn)識(shí)。同時(shí)對(duì)微機(jī)原理相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)總結(jié)。還挺高了自己的動(dòng)手能力，和運(yùn)用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力。本次是微機(jī)原理的實(shí)踐學(xué)習(xí)階段，通過(guò)查閱相關(guān)資料，我對(duì)理論的認(rèn)識(shí)加深不少。在整個(gè)過(guò)程中，查閱了不少資料，例如數(shù)碼管的顯示原理及編程方法等是通過(guò)自學(xué)完成.知道如何盡快讀懂別人寫的源程序,從中借鑒好的地方來(lái)完善自己的程序。同時(shí)，我對(duì)利用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序有了一定的認(rèn)識(shí)

18、。平時(shí)在書本學(xué)習(xí)的都是一條一條的指令，沒(méi)有很清楚地理解指令的真正含義。在這次課程設(shè)計(jì)中我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下學(xué)習(xí)了很多課堂上沒(méi)有學(xué)習(xí)到的知識(shí)也體會(huì)到同學(xué)之間合作的重要性，體會(huì)到只有平時(shí)多練習(xí)，多看程序才能自己編寫程序，自己調(diào)試程序。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)匯編語(yǔ)言有了更加深入的學(xué)習(xí)，通過(guò)幾天的設(shè)計(jì)，我掌握了DOS和BIOS各個(gè)功能調(diào)用的同時(shí)，還對(duì)子程序的調(diào)用有了很深的理解，也學(xué)到了自己以前從沒(méi)學(xué)過(guò)的東西。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)我學(xué)會(huì)了靈活應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)中突發(fā)的各種錯(cuò)誤和故障(比如:死機(jī)),始終保持大腦的清醒和敏捷,冷靜地分析和排除出現(xiàn)錯(cuò)誤的各種原因(當(dāng)然有時(shí)也離不開(kāi)老師的認(rèn)真指導(dǎo)),并最終順利地完成了實(shí)驗(yàn)。再有以前對(duì)C語(yǔ)言的一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)不太了解，通過(guò)實(shí)踐，使我在這個(gè)方面的