基于8086的步進電機控制

1、鄭州科技學(xué)院微型計算機原理課程設(shè)計題目基干8086的步講電機控制學(xué)生姓名*專業(yè)班級計算機科學(xué)與技術(shù)一班學(xué)號學(xué)1115009院（系）信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師*一*_*完成時間2013年12月20日1課程設(shè)計的目的12 課程設(shè)計的任務(wù)與要求13 設(shè)計方案與論證14 設(shè)計原理及功能說明24.1 勵磁線圈及其勵磁順序34.2 工作原理-34.3 8086CPU54.4 8255工作方式選擇64.5 ULN2003A64.6 74LS27364.7 74LS13865 單元電路的設(shè)計（計算與說明）86 硬件的制作與調(diào)試107 總結(jié)11參考文獻12附錄1：總體電路原理圖13附錄2：元器件清單13附錄3：源程序

2、代碼141 課程設(shè)計的目的培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生在學(xué)習(xí)完本門課后綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識，解決實際工程設(shè)計和應(yīng)用問題的能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生熟悉和掌握微機系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計的方法、設(shè)計步驟，使學(xué)生得到微機開發(fā)應(yīng)用方面的初步訓(xùn)練。讓學(xué)生獨立或集體討論設(shè)計題目的總體設(shè)計方案、編程、軟件硬件調(diào)試、編寫設(shè)計報告等問題，真正做到理論聯(lián)系實際，提高動手能力和分析問題、解決問題的能力，實現(xiàn)由學(xué)習(xí)知識到應(yīng)用知識的初步過渡。通過本次課程設(shè)計使學(xué)生熟練掌握微機系統(tǒng)與接口擴展電路的設(shè)計方法，了解步進電機控制的基本原理，掌握控制步進電機轉(zhuǎn)動的編程方法，進一步熟練掌握8255A并行I/O口的工作方式以及編程方法，熟練應(yīng)用8

3、086以及匯編語言編寫應(yīng)用程序和實際設(shè)計中的硬軟件調(diào)試方法和步驟，熟悉微機系統(tǒng)的硬軟件開發(fā)工具的使用方法。體會系統(tǒng)整體設(shè)計的流程與方法，為以后系統(tǒng)級設(shè)計積累經(jīng)驗。培養(yǎng)學(xué)生在實際的工程設(shè)計中查閱資料，撰寫設(shè)計報告表達設(shè)計思想和結(jié)果的能力。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求01.通過開關(guān)K1實現(xiàn)步進電機的開始與停止；02.通過開關(guān)K2來選擇步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；03.通過開關(guān)K3,K4組成（2-4譯碼）四檔電機轉(zhuǎn)速選擇；04.對每只開關(guān)的選擇情況同時通過4位8段數(shù)碼管來顯示；05.擴展設(shè)計：可以在以上功能基礎(chǔ)上，增加控制步進電機單步轉(zhuǎn)動的開關(guān)；增加控制電機加速轉(zhuǎn)動的開關(guān)；增加控制電機減速的開關(guān)。3設(shè)計方案與

4、論證本設(shè)計采用電壓為DC12V的四相八拍步進電機35BYJ46型電機，用ULN2003作為步進電動機驅(qū)動電路主芯片，以8255A作為8086并行輸出接口，8086對步進電機的控制信號則通過8255A送到ULN2003.根據(jù)課題要求，用8086處理器和可編程并行接口芯片8255組成控制系統(tǒng)，控制步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制，步進電機不能直接由8255驅(qū)動，而需要用相應(yīng)的驅(qū)動芯片，因此，控制系統(tǒng)直接控制電機驅(qū)動即可控制步進電機。轉(zhuǎn)向分別用逆時針轉(zhuǎn)動片段轉(zhuǎn)速和順時針轉(zhuǎn)動片段則通過調(diào)用延時子程序，當調(diào)用延時較長的子程序時，則步進電機轉(zhuǎn)速慢，當調(diào)用延時較短的子程序時，步進電機轉(zhuǎn)速快。設(shè)計流程圖如下：圖

5、3-1總體設(shè)計流程圖本步進電機控制系統(tǒng)通過四個鍵盤來控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動和停止以及轉(zhuǎn)速，步進電機旋轉(zhuǎn)的角度取決于鍵盤接通時間長短，接通時間越長，旋轉(zhuǎn)角度越大，其功能表如表1.2.1。4設(shè)計原理及功能說明在該步進電機控制系統(tǒng)中，需要接收鍵盤信息并識別，然后將數(shù)據(jù)傳送給步進電機使步進電機旋轉(zhuǎn)，采用8086CPU和8255接口芯片是可行的，系統(tǒng)框圖如圖4-1所示圖4-1系統(tǒng)方框圖4.1 勵磁線圈及其勵磁順序表4-1勵磁順序123456785+4-3-2-1-圖4-2勵磁線圈圖4.2 工作原理：4相步進電機示意圖四相步進電機示意圖見下左圖，轉(zhuǎn)子由一個永久磁鐵構(gòu)成，定子分別由4組繞組構(gòu)成圖4-

6、3電機定子和轉(zhuǎn)子示意圖圖4-4電氣連接示意圖當S1連通電源后，定子磁場將產(chǎn)生一個靠近轉(zhuǎn)子為N極，遠離轉(zhuǎn)子為S極才磁場，這樣的定子磁場和轉(zhuǎn)子的固有磁場發(fā)生作用，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動，正確地S1、S4的送電次序，就能控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向例如：若送電的順序為S1閉合一»斷開»S2閉合-斷開一»S3閉合A斷開一S4閉合一斷開，周而復(fù)始的循環(huán)，在定子和轉(zhuǎn)子共同作用下，電機就瞬時針旋轉(zhuǎn)：(O)k若送電的順序為S4閉合.一»斷開»si閉合一原理同理。4圖4-68255A一中r圖4-5電機旋轉(zhuǎn)模擬圖A斷開*S3閉合斷開一»S2閉合斷開，周而復(fù)始的循環(huán)，則電機就

7、逆時針旋轉(zhuǎn)，DO位di位nD2位D3位向步進電機發(fā)出的控制脈沖4.3 8086CPU：現(xiàn)將8086的引腳圖和各引腳功能列出如下，其他具體內(nèi)容詳見微機原理及接口技術(shù)教材8086CPU的40條引腳信號可按功能分可分為四類，它們是：地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線，其它(時鐘與電源)。在最小模式下各引腳功能(MN/MX接5V)：AD15AD0,地址/數(shù)據(jù)總線A19/S6A16/S3,地址/狀態(tài)總線 BHE/S7，高8位數(shù)據(jù)允許/狀態(tài)線 MN/MX，最小/最大模式控制信號，輸入RD,讀信號WR,寫信號M/IO，存儲器/輸入輸出控制信號ALE,地址鎖存允許信號READY(Ready)，準備就緒信號INTR，

8、可屏蔽中斷請求信號?INTA，中斷響應(yīng)信號?NMI，非屏蔽中斷請求信號?RESET,系統(tǒng)復(fù)位信號?DEN，數(shù)據(jù)允許信號?DT/R，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號?HOLD，總線保持請求信號輸入?HLDA，總線保持響應(yīng)信號?TEST,測試信號?CLK,時鐘輸入信號?VCC（+5V），GND4.4 8255工作方式選擇：8255有三個數(shù)據(jù)端口（A口、B口、C口），8255有三種基本的工作方式，分別為：方式一（基本輸入/輸出方式），方式二（選通輸入/輸出方式），方式三（雙向總線I/O方式）。其中A口可選擇三種方式中的任意一種，B口只能選擇方式0或方式1，C口常用作兩個4為端口，若工作于方式0，其高四位工作方

9、式與A端口一致，低四位與工作方式與端口B一致；若工作于其余兩種方式，端口的部分信號作為A口和B口的控制聯(lián)絡(luò)信號。4.5 ULN2003A：ULN2003A是高壓大電流達林頓晶體管陣列，由功率電路來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流，電壓。具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003A芯片主要用于如下領(lǐng)域：伺服電機，步進電機，電磁閥，可控照明燈。4.6 74LS273：74LS273是一種帶消除功能的8D觸發(fā)器，1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。4.7 74LS138：74LS

10、138為3線-8線譯碼器。引出端口號：B、C譯碼地址輸入端G1選通端/（G2A）、/（G2B）選通端（低電平有效）Y0Y7譯碼輸出端（低電平有效）5單元電路的設(shè)計（計算與說明）本電路采用8086CPU來控制，8086是16位CPU,采用高性能的N溝道、耗盡型負載的硅柵工藝制造8086擁有四個16位的通用寄存器，也能夠當作八個8位寄存器來存取，以及四個16位索引寄存器。資料寄存器通常由指令隱含地使用，針對暫存值需要復(fù)雜的寄存器配置。它提供64K8位元的輸出輸入，以及固定的向量中斷。大部分的指令只能夠存取一個內(nèi)存位址，所以其中一個操作數(shù)必須是一個寄存器。運算結(jié)果會儲存在操作數(shù)中的一個。8086有四

11、個內(nèi)存區(qū)段寄存器，可以從索引寄存器來設(shè)定。區(qū)段寄存器可以讓CPU利惻殊MXT式存取1MB內(nèi)存。8086把段則N/MX4位然后把它加上偏移地址。8086的尋址方式改變讓內(nèi)存擴充較有效率。8086處唧而MX中頻率介于4.77MHz和10MHz之間。以8086CPU構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)，有最小模式和最大模式兩種配置。最小模式是單機系統(tǒng)，系統(tǒng)中所需要的控制信號全部由8086CPU網(wǎng)提供；最大模式可以構(gòu)成多處理機系統(tǒng)，系統(tǒng)中所需要的控制信號由總線控制器8288提供。CPU工作模式的選擇是由硬件決定的，當CPU的管腳接高電平時，構(gòu)成最小模式；當接低電平的時候，構(gòu)成最大模式。因為步進電機控制系統(tǒng)是一個單處理

12、機系統(tǒng)，因而接高電平，構(gòu)成最小模式。8086通過16根數(shù)據(jù)總線來實現(xiàn)與8255的通信，高八位通過74HC373鎖存器控制8255的四個端口，低八位與8255進行數(shù)據(jù)交換。8086的和控制8255的讀寫操作。8255四個端口的地址見表2.2.1所示表5-18255各端口地址分配8255端口端口地址A端口IOY0+00H*4B端口IOY0+01H*4C端口IOY0+02H*4控制端口IOY0+03H*48255與CPU連接部分：8255能并行傳送8位數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)線為8根D0D7。由于8255具有3個通道A、B、C,所以只要兩根地址線就能尋址A、B、C口及控制寄存器，故地址線為兩根A0A1。A0

13、、A1的組合與端口關(guān)系如表2.2.2所小。表5-2A1、A0組合與端口關(guān)系A(chǔ)1A08255端口IOY0+00H*4A口地址IOY0+01H*4B口地址IOY0+02H*4C口地址IOY0+03H*4控制口地址此外CPU要對8255進行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復(fù)位、讀、寫信號。數(shù)據(jù)總線DB用于8255與CPU傳送8位數(shù)據(jù)，地址總線AB用于選擇A、B、C口與控制寄存器，控制總線CB用于片選信號、復(fù)位信號RST、寫信號、讀信號。當CPU要對8255進行讀、寫操作時，必須先向8255發(fā)片選信號選中8255芯片，然后發(fā)讀信號或?qū)懶盘枌?255進行讀或?qū)憯?shù)據(jù)的操作。與外設(shè)接口部分：8255有3

14、個通道A、B、C與外設(shè)連接，每個通道又有8根線與外設(shè)連接，所以8255可以用24根線與外設(shè)連接，若進行開關(guān)量控制，則8255可同時控制24路開關(guān)。A口用于8255向外設(shè)輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)，B口用于8255向外設(shè)輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)，C口用于8255向外設(shè)輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)，當8255工作于應(yīng)答I/O方式時，C用于應(yīng)答信號的通信?？刂破鳎?255將3個通道分為兩組，即A組和B組，相應(yīng)的控制器也分為A組控制器與B組控制器，各組控制器的作用如下為：A組控制器控制A口與上C口的輸入與輸出；B組控制器控制B口與下C0的輸入與輸出。8255具有3個相互獨立的輸入/輸出通道端口，用+5V單電源供電，能在

15、三種方式下工作，具體方式見表2.2.3o表5-38255工作方式力式0基本輸入/輸出力式F1選通車入/輸出力式方式2雙向傳輸方式74HC373為三態(tài)輸出鎖存器，可用來驅(qū)動數(shù)據(jù)總線。當OE為高電平時，D一D7呈高阻態(tài)，不驅(qū)動數(shù)據(jù)總線，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，Q被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mVo步進電機模塊電路圖如圖5-1所示+12VAU31234561B2B3B4B5B6B7BCOM 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C9W5311110ULN2003A&

16、lt;TEXT>圖5-1步進電機模塊步進電機能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為角位移。步進電機輸入一個電脈沖就前進步，其輸入的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。從8255端口輸出的脈沖，其電流還不足以驅(qū)動三相步進電機，因而在步進電機和8255中間接一個驅(qū)動芯片ULN2003。ULN2003A是一種高耐壓、大電流復(fù)合晶體管，由七個硅NPN復(fù)合晶體管組成，灌電流可達500mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流狀態(tài)下并行運行。6硬件的制作與調(diào)試在上述功能模塊以及工作原理的基礎(chǔ)上，為了探索8086CPU在proteus仿真軟件中實現(xiàn)對步進電機的控制，簡單了解仿真軟件的應(yīng)用

17、，以及更形象的展現(xiàn)對步進電機控制的方法，在計算機上安裝proteus軟件并用proteus仿真軟件對電路的各器件進行電路連接并載入EXE程序運行文件給與不斷調(diào)試，最終使得電路圖能夠正常運轉(zhuǎn)。如下圖為電路連接圖-RREFREAfrYTITWGiSIilHTffl.HOLDiCTTHLfrAiOTCTEST-NUJ，刖雨CLK-.m.口勤川g-倒ALBQECEI6T«%WDENZ&2TTTWWTK口口?？?amp;1SD2Q2口三Q3口鼻口，DGQSM白？GLKUA三儂filer展EF”網(wǎng)PMFAIF題ZPJdPAtP«PASPATM-DiiirnrDD口口D1!，D2

18、SD38gQtP5Qf口E口方D7Q7MjLKUR.TiLSZFJmAlF.S-ETPSDPMPRP93FitPH5FMFITU9：C：ZZ«A*tL51jE圖6-1電路連接圖1KI；ctartotoi圖6-2電路連接圖2G7總結(jié)先從整體上來說，我原本打算整個課程設(shè)計只需要1-2天即可完成，而實際的情況是用了將近4天還未完全實現(xiàn)設(shè)計要求，比如說，步進電機的加速與減速功能，用4位7段數(shù)碼管來顯示步進電機的轉(zhuǎn)速，這些功能都在代碼實現(xiàn)時遇到了困難，而這也恰恰反應(yīng)了匯編語言學(xué)習(xí)的不足一一練習(xí)太少，而見過的匯編源碼也同樣很少。舉個例子，有其他小組做的搶答器設(shè)計，有十幾行的一段程序是通過ROR循

19、環(huán)右移指令和LOOPNZ指令來達到依次測試每個開關(guān)是否撼下，就是這樣一段簡單的代碼，就看足足1個小時，原因有兩點，它的代碼中寫成了LOONZ指令，還有就是ROR，因為它可以將移出的位都進入CF以保存該位，以供后續(xù)的程序測試。這些指令很是不熟悉，從這方面很是能夠反應(yīng)出一些問題。比如說我在網(wǎng)上查找他人的設(shè)計方案時，基本上都是用51單片機來控制步進電機的，當然都是通過Proteus軟件仿真驗證的，很少有基于8086芯片的，很偶然的搜索一份后，我發(fā)現(xiàn)我需要把整個系統(tǒng)硬件連線理解透徹，很是花了一番功夫。一開始我以為Proteus軟件不能做8086芯片的仿真，之前它都是用來仿真單片機的，而事實上它也確實是

20、這樣，8086芯片的仿真確實是這兩年才添加的，應(yīng)為做8086芯片的仿真需要一系列外圍芯片的支持，比如說：8259A可編程中斷控制器、8255A可編程并行接口芯片、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器，8251A可編程異步通信接口芯片（這個在7.8版本中就沒有）可見拿這個完全取代實驗箱還有一定的距離。當然這次的課程設(shè)計我可以完全使用它，因為沒有使用到8251A芯片。還有就是有很多輔助性芯片自己在以前根本就沒有關(guān)注過，直到這次課程設(shè)計，我才認認真真的查找了74系列芯片資料比如74LS273、74LS138，因為我在這次系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分遇到了困難，因為之前的（包括上學(xué)期的組成原理和這學(xué)期的接口技術(shù)，用到的實

21、驗箱都是人家事先連好并預(yù)留出的，在實驗時有都是按照實驗手冊上的電路圖去連線的，幾乎從來不去思考為什么要這樣連接，這些芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的，除了這個型號的芯片，其他型號的芯片是否也能實現(xiàn)相應(yīng)的功能，它們兩者之間又有何異同和優(yōu)缺點，等等這一系列的問題在硬件的設(shè)計時都讓我給碰到了，我不知道是我的幸運還是不幸）這些問題讓我認識到在現(xiàn)有實驗箱上不管是進行實驗的驗證還是教學(xué)，都存在很大的缺陷，更不用提系統(tǒng)的設(shè)計了。概括來說，芯片了解太少，匯編編程很不熟練，方案的整體設(shè)計把控很不足。學(xué)習(xí)的內(nèi)容：初步理解掌握了在Proteus軟件中進行硬件仿真的步驟及方法，了解了Proteus軟件芯片庫的構(gòu)成體系，對芯片的

22、選取不再過于盲目，理解并掌握了8255A芯片編程方法，了解了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟與方法。參考文獻1 馮康匯編語言M武昌：武漢大學(xué)出版社2010,062 公保華通用接口的步進電機控制驅(qū)動單元J電氣自動化1994,033 王功利基于PC機的步進電機控制系統(tǒng)J核電子學(xué)與探測技術(shù)1996,054 李瑞基于單片機的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J科技致富向?qū)?012,355 魏雅基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究J電子設(shè)計工程2013,186 胡全51單片機的數(shù)碼管動態(tài)顯示技術(shù)J信息技術(shù)2009,137 王忠民微型計算機原理（第二版）M西安：西安電子科技大學(xué)出版社2007.6附錄1：總體電路原理圖

23、-12fUis胃附錄2:元器件清單 8086CPU 8255A ULN2003A MOTOR-STEPPER 74LS138 74LS273 74LS32 7411開關(guān)BUTTONIOY0EQU0C400H附錄3：源程序代碼;片選IOY0對應(yīng)的端口起始地址MY8255_A EQUMY8255_B EQUMY8255_C EQUIOY0+00H*4;8255的A口地址IOY0+01H*4;8255的B口地址IOY0+02H*4;8255的C口地址MY8255_MODEEQUIOY0+03H*4;8255的控制寄存器地址STACK1SEGMENTSTACKDW256DUP(?)STACK1ENDS

24、DATASEGMENTDTABLE1DB6DH,79H,73H,77H,39H,06H,5BH,4FH,66H,40HDTABLE3DB10H,30H,20H,60H,40H,0C0H,80H,90HDTABLE4DB90H,80H,0C0H,40H,60H,20H,30H,10HDATAENDSCODESEGMENTASSUMESTART:MOVMOVMOVMOVCS:CODE,DS:DATAAX,DATADS,AXSI,3000HSI,00H高四位輸出代碼段；否則繼續(xù)執(zhí)行下面代碼MOVSI+2,09HMOVSI+4,03HMOVSI+6,05HMOVSI+8,01HMOVDX,MY8255

25、_MODE;初始化8255工作方式MOVAL,81H;方式0，A輸出、B口輸出，C口低四位輸入，OUTDX,AL;CALLCLEAR;CALLDISMOVDX,MY8255_CINAL,DXTESTAL,01HJNZSTOP;測試C口的PC0是否為0；若不為0則跳到STOPQIDONG:SPEED:MOVSI,01HCMPSI+8,08HJZZHI;若3008H單元的值等于08H，則跳到ZHI代碼段；否則的話，向下繼續(xù)執(zhí)行MOVBX,SI+8DECBXMOVDX,MY8255_CINAL,DXTEST代碼段（順時針旋轉(zhuǎn)）AL,02H;測試PC1口的是否為1，若為0則跳轉(zhuǎn)到JZSHUNNI:MO

26、VSI+4,03HMOVAL,DTABLE4BXPUSHAXJMPZHUANG;逆時針轉(zhuǎn)動片段SHUN:MOVSI+4,04HMOVAL,DTABLE3BXPUSHAX;順時針轉(zhuǎn)動片段ZHUANG:MOVDX,MY8255_CINAL,DXTESTAL,0CHJZDANG3TESTAL,04HJZDANG2TESTAL,08HJZDANG4DANG1:POPAXMOVDX,MY8255_CSHUNOUTDX,ALINCBXINCBXMOVSI+8,BXMOVSI+6,05HCALLDALLYCALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1CALLDALLY1JMPSPEEDDANG2:POPAX-MOVOUTINCINCMOVMOVCALLCALLCALLCALLCALLCALLCALLJMPDANG3:POPMOVOUTINCINCMOVMOVCALLDX,MY8255_CDX,ALBXBXSI+8,BXSI+6,06HDALLYDALLY1DALLY1DALLY1D