微机原理 步进电机实时控制

成都学院（成都大学）课程设计报告I基于步进电机转速实时控制摘要：本设计采用电压为 DC12V 的四相八拍步进电机 35BYJ46 型电机，用 ULN2003 作为步进电动机驱动电路主芯片，以 8255A 作为 8086 并行输出接口，8086 对步进电机的控制信号则通过 8255A 送到 ULN2003。关于转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。关键词： 步进电机；微机原理；实时控制成都学院（成都大学）课程设计报告II目 录第 1 章 引言 31.1 背景 31.2 选题的目的和意义 31.3 本课程设计的主要内容 3第 2 章 部件电机转速实时控制 42.1 设计方案 .42.2 硬件系统基本原理 42.2.1 系统硬件子系统的构成 42.2.2 步进电机工作原理以及与 8255 接口的关系 52.2.3 工作原理 52.3 软件框图及设计思想 .7第 3 章 芯片使用 103.1 8255A 简介 103.2 8255A 的工作方式选择 103.4 74LS138 译码芯片简介 .11第 4 章 总结 12参考文献 13附录 程序清单 14成都学院（成都大学）课程设计报告0第 1 章 引言1.1 背景传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。当传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统要求的时候，一系列新的具备控制功能的电动机系统便诞生了。其中应用十分广泛的一类，便是步进电动机。步 进 电 机 是 一 种 执 行 机 构 ， 它 能 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 。 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 （ 及 步 进 角 ） 。 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 。 预计未来步进电机的研究将会继续深入下去，研究方向之一便是电机与驱动的一体化，从而达到减小体积、提高性能和性价比的目的。1.2 选题的目的和意义步进电机是工业程控及仪表中的主要控制组件之一。在数字控制系统中，由于它可以可以直接接受计算机来的数字元信号，不需要进行数模转换，所以用起来更方便。步进电机角位移与控制脉冲间的精确同步。若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量等特点，所以使其在定位场合中得到了广泛的应用。特别在工业程控系统中，使用开环控制模式，微型计算机可以很容易控制步进电机的位置和速度，而不用使用位移传感器，所以应用越来越广泛。学会使用微型计算机控制步进电机也就显得很重有必要了。1.3 本课程设计的主要内容（ 1） 通过步进电机控制系统设计与制作，深入了解与掌握步进电机的运行方式、方向、速度、启/停的控制。（ 2） 学习掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用数据的能力。成都学院（成都大学）课程设计报告1第 2 章 部件电机转速实时控制2.1 设计方案本设计采用电压为 DC12V 的四相八拍步进电机 35BYJ46 型电机，用 ULN2003 作为步进电动机驱动电路主芯片，以 8255A 作为 8086 并行输出接口，8086 对步进电机的控制信号则通过 8255A 送到ULN2003。关于转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。2.2 硬件系统基本原理2.2.1 系统硬件子系统的构成本设计采用的步进电机为 35BYJ46 型四相八拍电机，电压为 DC12V，其励磁线圈及其励磁顺序如图 2-1 所示：图 2-1 励磁线圈图成都学院（成都大学）课程设计报告22.2.2 步进电机工作原理以及与 8255 接口的关系图 2-2 步进电机与 8255 连接图2.2.3 工作原理4 相步进电机示意图见图 2-3，转子由一个永久磁铁构成，定子分别由 4 组绕组构成。图 2-3 电机定子和转子示意图图 2-4 电气连接示意图成都学院（成都大学）课程设计报告32-4 控制电路图当 S1 连通电源后，定子磁场将产生一个靠近转子为 N 极，远离转子为 S 极才磁场，这样的定子磁场和转子的固有磁场发生作用，转子就会转动，正确地 S1、S4 的送电次序，就能控制转子旋转的方向。例如：若送电的顺序为 S1 闭合 断开 S2 闭合 断开 S3 闭合断开 S4 闭合 断开，周而复始的循环，在定子和转子共同作用下，电机就瞬时针旋转，见图 2-5：图 2-5 电机顺时针旋转示意图若送电的顺序为 S4 闭合 断开 S3 闭合 断开 S2 闭合 断开S1 闭合 断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理，见图 2-5。成都学院（成都大学）课程设计报告4图 2-6 8255A 向步进电机发出的控制脉冲图2.3 软件框图及设计思想据 步 进 电 机 的 励磁顺序列写控制步进电机顺序转动的输出的数据表 初始化 8255A 的工作方式 设定需要步进电机转过的步数 顺序依次逐个延时（调用延时函数 1:延时较长，实现慢转）输出表中数据 设定需要步进电机快速转过的步数 顺序依次逐个延时（调用延时函数 2：延时较短，实现快转）输出表中数据 设定需要反向转过的步数 逆序依次逐个延时（调用延时函数 1，慢速）输出表中数据 设定需要步进电机快速反向转过的步数 逆序依次逐个延时（调用延时函数 2，快速）输出表中数据。以此循环，则可实现让步进电机先低速正转到高速正转，再从高速正转到低速反转，再高速反转，周而复始。成都学院（成都大学）课程设计报告5开始初始化 8 2 5 5设慢速正转步数D X输 B X 到 B 口调用 D A L L Y 1D X = D X - 1标志位是否为 0C X = C X - 10C X = C X - 1修正 C X设快速反转步数D X传 D X 到 B 口D A L L Y 2D X = D X - 1零标志为 0结束1图 2-7 主程序框图成都学院（成都大学）课程设计报告6图 2-8 延时函数程序框图成都学院（成都大学）课程设计报告7第 3 章 芯片使用3.1 8255A 简介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。 8255A 在使用前要写入一个方式控制字，选择 A、B、C 三个埠各自的工作方式，共有三种; 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。 8255A 是一个并行输入、输出器件，具有 24 个可编程设置的 I/O 口，包括 3 组 8 位的 I/O 为PA 口、PB 口、PC 口，又可分为 2 组 12 位的 I/O 口：A 组包括 A 口及 C 口高 4 位，B 组包括 B口及 C 组的低 4 位。3.2 8255A 的工作方式选择图 3-1 8255A 工作方式控制字成都学院（成都大学）课程设计报告83.4 74LS138 译码芯片简介74LS138 为 3 线8 线译码器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 两种线路结构型式。 其工作原理： 当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1)和/(E2)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出。比如： A0A1A2=011 时，则 Y6 输出端输出低电平信号。成都学院（成都大学）课程设计报告9第 4 章 总结经过这次课程设计，我更多的了解了步进电动机的工作原理及接口电路原理，学会了用编程实现步进电动机正反转及加速的方法。通过汇编实现让 8086 控制步进电动机正转、反转、变速，巩固了对步进电动机的编程控制的理论基础，并从中获得了初步的应用经验。在编程的过程中，我巩固了用汇编语言处理数据的能力，特别是对数表数据的灵活运用能力。在调试及试运行的过程中也遇到不少问题，最后都通过查阅更多资料解决了。经过这次设计，我看到了自己在知识积累上的不足，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将就我人生的重要财富。我觉得作为一名自动化专业的学生，计算机控制技术的课程设计有很重大意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己是初次接触这门课程，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得非常的陌生，但是在同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。对我来说这是个非常重大的收获。成都学院（成都大学）课程设计报告10参考文献1 周明德. 微型计算机系统原理及应用（第四版）.北京：清华大学出版社，20022 李顺增，吴国东，赵河明，乔志伟. 微机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，20063 徐玮.C51 单片机高效入门.北京：机械工业出版社，20074 杨邦华.微机原理与接口技术实用教程.北京：清华大学出版社，2008成都学院（成都大学）课程设计报告11附录 程序清单STACK SEGMENT STACKDW 256 DUP(?)STACK ENDSDATA SEGMENTTABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H; DATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMAIN: MOV AL,80H OUT 0F6H,ALMOV DX,20A1: MOV BX,OFFSET TABLEMOV CX,0008H A2: MOV AL,BX OUT 0F2H,ALCALL DALLY INC BXDEC DXJZ D1 LOOP A2JMP A1 D1: DEC CX;修正MOV DX, 20A3: MOV AL, BXOUT 0F2H, ALCALL DALLY _kINC BXDEC DXJZ D2成都学院（成都大学）课程设计报告12LOOP A3JMP M3D2: DEC BX;修正MOV DX,20A4: MOV AL,BXOUT 0F2H,ALCALL DALLYDEC BXDEC DX JZ D3LOOP A4JMP M1 D3: DEC CX;修正MOV DX,40A5: MOV AL,BXOUT 0F2H,ALCALL DALLY _kDEC BXDEC DXJZ D4LOOP A5JMP m2D4: JMP MAINM1: MOV BX, OFFSET TABLEMOV AX, 0007HADD BX, AXMOV CX, 0008HJMP