步進電動機正反轉控制系統(tǒng)設計

1、成績課程設計報告題目步進電動機正反轉控制系統(tǒng)設計課程名稱微機原理及應用院部名稱機電工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級學生姓名學號課程設計地點工科樓C304課程設計學時20指導教師金陵科技學院教務處制 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/轉換，用起來非常方便。此次微機原理的課程設計，是對計算機系統(tǒng)和微處理器以及匯編語言、外圍芯片的研究學習。本設計就是基于8086CPU的微機控制，利用匯編語言、74273、74LS244芯片、ULN2003A驅動等綜合應用實例，連接上硬件驅動電機電路，通過對按鍵輸入

2、信號的檢測實施對步進電動機正反轉的控制。關鍵詞：8086CPU；正反轉；步進電機目錄摘要一、概述課程設計的目的課程設計的要求二、總體設計方案及說明系統(tǒng)總體設計方案系統(tǒng)工作框圖三、系統(tǒng)硬件電路設計8086微處理器的簡介74273和74LS244芯片的簡介ULN2003A的簡介步進電機的工作原理微型處理器最小控制模塊按鍵輸入模塊驅動電動機模塊系統(tǒng)電路原理圖四、系統(tǒng)軟件部分設計系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)軟件源程序五、課程設計體會系統(tǒng)調試問題分析與解決方案心得體會六、參考文獻附錄：原理圖一、概述課程設計的目的通過本課程設計，使學生掌握控制系統(tǒng)設計的一般步驟，掌握系統(tǒng)總體控制方案的設計方法。使學生進一步掌握微型計算

3、機應用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)方法，輸入/輸出（I/O）接口技術，應用程序設計技術，并能結合專業(yè)設計簡單實用的微型計算機應用系統(tǒng)。針對課堂重點講授內(nèi)容使學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計的能力，為以后的畢業(yè)設計搭建了微機系統(tǒng)應用平臺，提高學生的開發(fā)創(chuàng)新能力。1.2課程設計的要求步進電動機正反轉控制系統(tǒng)的設計設計一個步進電動機正反轉控制系統(tǒng),要求：1）系統(tǒng)功能：點動SW1按鍵控制步進電動機正轉，點動SW2按鍵控制步進電動機反轉，點動SW3按鍵控制步進電動機停止，在進行相應操作時，對應LED將被點亮。按下SW4按鍵使步進電機在所設定的一級速度下運轉，按下SW5使步進電機在所設定的二

4、級速度下運轉，按下SW6使步進電機在設定的三級速度下運轉，按下SW7使步進電機在滿轉速下運轉；2）給出系統(tǒng)設計方案，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，完成系統(tǒng)工作調試；在以上工作基礎上完成課程設計報告，包括設計任務與要求，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，結論與體會，參考資料等。二、總體設計方案與說明系統(tǒng)總體設計方案本設計是用Proteus軟件對步進電動機正反轉電路的硬件電路進行設計，系統(tǒng)軟件部分用匯編語言編好的源程序將其導入8086微處理器中，對整個電路進行運作控制。本設計是基于8086形成的最小微處理器的控

5、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動，如果檢測到正轉或者反轉，則給步進電動機一個循環(huán)有規(guī)律的脈沖，如果步進電機轉動方向變化即控制電機輸入的脈沖順序即可改變轉動方向。74273鎖存器和ULN2003A驅動模塊的控制，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8086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。該設計的驅動電路是由ULN2003A芯片驅動電動機實現(xiàn)正反轉的，在驅動負載的時候，電流是由電源通過負載灌入ULN2003A的。系統(tǒng)工作框圖：片選信號1片

6、選信號28086CPU總線驅動器顯示電路步進V電機電機驅動電路按鍵模塊數(shù)據(jù)鎖存器地址譯碼地址鎖存器三、系統(tǒng)硬件電路設計3.18086微處理器的簡介Intel8086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。不久，Intel8088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的設計為基礎，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，8086CPU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

7、微處理器結構包括總線接口單元（BIU）和執(zhí)行單元（EU）還有BIU和EU的管理。總線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；標志寄存器FR；算術邏輯單元ALU。8086的引腳：fUllhl1MODE嚴DEGNDC*JIG

8、AD14匚23勺aD1SAD13E：J腳A16/S3AD12C437JA17/SJAdllESAU/S&AD1&C5J5JA19/S6島苗匚7J4BWS7AMCaKmn/wkAD7CmsJiJffiCPU31RQ/GT&(HOLD麗匚idM(HLDA)曲匸丹LOCK碗M匚注2&22占昭亡U3751DTEADICIS泌SB(CEWJE6-25Q50NU1C1-724碼J5TKYCLKCi&22REiDVGNOC2Q-2iREST8086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_

9、信號AD15ADO: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ADO和BHE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)標志。其中S6為0時，表示AD15ADO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。復位后CPU

10、結束當前操作，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:準備好，輸入，高電平有效，表示主存/外設準備就緒，即可讀/寫數(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。74154和74LS244芯片介紹囲豊回回區(qū)I巨叵I叵E叵叵匝叵叵VoYTY3Y3蔣Y5.WY7YEY9oDY1GN74154譯碼器VccAOMA2A3E2囂141312VlT這種單片4線1

11、6線譯碼器非常適合用于高性能存儲器的譯碼器。當兩個選通輸入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。當任何一個選通輸入是高時，所有輸出都為高。74LS244緩沖器74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅動器。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，作為地址驅動器、時鐘驅動器、總線驅動器和定

12、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ULN2003A的簡介ULN2003A是一個7路反向器電路，它的輸出結構是集電極開路的，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電平。在驅動負載的時候，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；應用繼電器驅動器步進電機電動機（Motors）是把電能轉換成機械能的一種設備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉磁場并作用于轉子鼠籠式式閉合鋁框形成磁電動力旋轉扭矩。電動機按使

13、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（電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉子組成，通電導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。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。在本設計中，我們使用單雙八拍運行方式的步進電機，即控制正轉時，電機繞組的通電順序為：ADDfDCCfCBfBfBAA；反轉時，電機繞組的通電順序為:AABBfBCfCfCDDfDA。其工作原理示意圖如下：開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4

14、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。當開關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，使轉子轉動，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，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。21AD0.15*S.AD03AD14AD27AD38AD413VlD514M.D617AD718U1DOQ0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKMR74273RESETAD0.15READYA16.19IN

15、TA/QS1INTRALEA3S0hold/gtFBHE_HLDA/GTQ-DTSlTESTNMI_DEN/S2_RDMN/WTWRJLOCICLKM/lO/SO8086LOAD_SEG=0 x080025AD16.19U辻NOTRDM.10ADiii3SAD94AD107S.AD11FlAD1213AD1314AD1417SAD1518111DOQ0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKMR74273ADR0.19A-13V.14kA1513乎A1XA85A92.OyA9曾1/KAI0A2yKA119A3A1212A4A5/A6z19.V7U3_NOTA0B1C2D3

16、4E15E267891011121314151819AD16.19uwAD163AD174ADIS7AD198H12.18111-C：LK：CN59HI2T瓦1T412HW101AOWRAD14AD2TADS8AD413ADS14AD6門AD718反轉指示燈停轉指示燈ADO3U1174273LED2LED3I.円正轉指示燈CLKMRCOM1C2C3C4C5C6C7Cpit1W270ULN2003A7427在本設計中該模塊電路由按鍵SW1SW3經(jīng)過排阻與74LS244三態(tài)8位緩沖器連接，并由74LS244將信號通過地址/數(shù)據(jù)復用總線AD0-AD3四個端口輸入給8086微處理器中。由8086對信號

17、進行分析確定是正轉、反轉、停止的哪一種輸入狀態(tài)，最終確定電機的運動狀態(tài)。驅動電動機控制模塊在本設計中該模塊電路是由驅動芯片ULN2003A驅動電機轉動的，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動芯片，再由驅動芯片輸出的數(shù)據(jù)信號帶動步進電機運轉。反應電動機運動狀態(tài)的三個LED顯示燈是由74273鎖存器的三個端口直接驅動的。系統(tǒng)電路原理圖ADP.1勻AU-1RESETREftDYAflGJmhIRTHi-jSdIMTRALBQSaHOLDJCTTUTEHLDJU9TTDT/WSTTESTTEIiSMUIKFUNflOCTIAJULOCKCL

18、KUVE1舸ADS3-.AD*13onD1Q103Q7pQ.DSasngQgDTQT?CLKMF.3_r-.A&27,AD3B-/AMO7EXESLOAD_SB3-Q-EOJ!1D111213141S1113IsIT反轉停止A0P.15IJ2U11BCOUAU2:BADINUM7AD32AD*13ADS14ADS1T“ur1E、系統(tǒng)軟件部分設計4.1系統(tǒng)流程圖是否正轉鍵是否按否反轉鍵是否按下是是反轉鍵是否按下是否正轉鍵是否按下否停止鍵是否按下是否停止鍵是否按下是否12SI8SICLKMR74273191615ULN2003AR102707427LED2LED3R1270R22701615A宀正

19、轉指示燈X-反轉指示燈4停轉指示燈按下反轉按鈕，反轉指示燈亮，步進電動機開始反轉，運行結果如圖所示ADI16AD214AD312YOAOY1A1Y2A2Y3A35TAD1斗AD2/AD3F；AD413ADS14AD617AD73m11DOQOD1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5DoQdD7Q7CLKMR742737427U2:E：SW2101i正轉指示燈宀反轉指示燈停轉指示燈iorAOWR000COMIB1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C2349A16k1514ti13IcKmI1110A問題分析與解決方案該課程設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

20、接口交換信息。在運行調試過程中8086處理器起到主控制作用，1、當把運行程序加載到8086微處理器模塊中運行時，如果三個指示燈全部亮時，可能是輸入運行程序的問題或者是Protues軟件的版本問題升級一下就好了。2、從正轉變換到反轉時，如果正轉指示燈跟反轉指示燈兩者交替閃亮時就說明正轉按鈕和反轉按鈕同時閉合，必須保證只有一個按鍵閉合。3、一開始步進電動機是不轉的，因為它接收到的信號只有一個不是變化的，當它接受到單雙八拍的循環(huán)變化的信號時，步進電機才開始連續(xù)轉動。心得體會在編程的到了不少問題，最后都通過查閱課本及網(wǎng)絡尋找解決方案，在這過程中我鞏固了用匯編語言處理數(shù)據(jù)的能力，特別是對數(shù)據(jù)的靈活運動能力。在調