2022年步进电动机控制系统设计 .pdf
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1、学 生 实 训 设 计 报 告设计题目:步进电动机控制系统设计院别:机电学院专业:机械设计制造及其自动化班级:姓名:学号:指导教师:教务处制二零一零年七月二日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-1-页 共 24 页课程名称:微机原理与接口综合设计课程代码:09402707 实训周数:1 学分:1 实训单位:机电学院实训地点:机电学院目录一、设计任务要求.2二、方案比较及评论证.2 2.1 方案一.2 2.2 方案二.2 2.3 最终方案.2三、系统工作理.2 四、硬件设计.3 4.1 硬件原理框图.34.2 8086CPU 构成的最
2、小模式系统.44.3 外设接口电路部分.4 4.4 步进电机模块.5 4.5 LED 模块和 8279键盘控制模块.6 4.6 系统编码.7 五、软件设计.7 5.1 主程序流程图.85.2 延时程序流程图.9六、调试与测试.10 6.1 硬件测试.106.2 软件测试.106.3 最终结果测试.11七、芯片资料.11 7.1 8279 可编程芯片:.117.2 8255 并行接口芯片.12八、课程设计总结.14九、附录软件设计序.15 十、电路总图.21 十一、参考文献.22 指导老师评语.23名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-
3、2-页 共 24 页一、设计任务及要求:设计内容:设计控制电路,要求:(1)用 8255 输出电机激励脉冲。(2)可用电平开关实现转速的控制。(3)编写程序使步进电机正转10 圈,反转 5 圈,再正转 10 圈,反转 5 圈。(4)调节延时参数,使步进电机的转速为每秒5 转。二、方案比较及评估论证:2.1 方案一:以 8088CPU为核心,扩展 8255A 及相应的接口电路.产生步进电机所需的脉冲系列.该脉冲系列经驱动电路后,直接驱动步进电机.实现速度调节,及方向控制.这个系统的特点就是:可设定三个固定常用的速度,和一个可无极调速的速度,操作简单可靠。2.2 方案二:采用电机专用驱动数字芯片L
4、297 以及 L298 组合使用控制步进电机。采用数字电路对单片机对步进电机控制信号进行处理,由于 L297 以及L298 的组合使用,能有效减少单片机I/O 接口的使用,并大幅提高单片机的带负载能力,但由于该课程设计可用的I/O 充足,如果过多地使用数字芯片,这样必然带来高成本,电路负杂的缺点,因此本方案灵活性不高,效率低,不利于步进电机的性能。同时对各路信号处理也比较困难。2.3 最终方案:比较以上两种方案的优缺点,方案一简洁、灵活、可扩展性好,能达到设计要求,因此本设计采用方案一实现。三、系统工作原理:本实验以 8088CPU 为核心、8279、8253、8259、8251、8255、步
5、进电机等主要的芯片。通过四个开关和一个外接电路的旋钮来控制步进电机的正反转及速度的调节,其中一个开关S1 控制步进电机的开启,一个开关S2 控制步进电机的正反转,剩下的两个开关S2,S3的前三种组合 00,01,10 控制三种不能调的预先设定好的三个速度,第四种组合 11,通过 8255A 和 ADC0809 将由外接电路的旋钮名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-3-页 共 24 页控制的一个连续可调电压信号采样有这个数值的大小来控制延时的长短从而控制步进电机的速度来实现无极调速。四、硬件设计4.1 硬件原理框图IN7 5 4 S3
6、 3 S4 2 1 图一系统的硬件原理框图D0D7 8088 控制机A 12V B A驱动器ULN2803 BC CD D步进电机A 口PB0 PB1 8255A PB6 PB7 PB2 PB3 PB4 PB5 1 IN7 ADC0809 S11 S2 8253 OUT2 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-4-页 共 24 页4.2 8086CPU 构成的最小模式系统图 2 8086 最小系统结构示意图根据使用目的的不同,8086/8088 系统可以有最小模式和最大模式两种系统配置,两种方式的选择主要取决于硬件,当CPU 引脚 M
7、N/MX 端接高电平+5V时,构成最小系统。4.3 外设接口电路部分本部分设计使用了ADC0809 采样电路,8255A 接口芯片,译码器 74LS138等构成.ADC0809 的数据输出端口接在8255A 的 A 口上。同时 ADC0809 采样的启动信号由定时器/计数器 8253 提供和时钟频率 CLOCK 由系统应用时钟频率OPCLK 提供。B 口是分时复用的,有时输出,有时输入.输入是控制信号,输出的是电机驱动信号。其中 8253,8255A 的地址见系统编码表。输入/输出接口编码电路名称信号线寄存器编址8253 IOY2 0#计数器40H 1#计数器41H 2#计数器42H 将808
8、6CPU的AD复用总线分离为AB总线和DB总线ABA19A0DBD15D0CB扩展ROM和RAM存储器扩展I/O接口电路外设ABDBCB名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-5-页 共 24 页控制寄存器43H 8255A IOY3 A 口60H B 口61H C 口62H 控制寄存器63H 4.4 步进电机模块步进电机的驱动原理是通过它每相线圈的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转,驱动电路由脉冲来控制,所以调节脉冲的频率便可改变步进电机的转速,微控制器最适合控制步进电机。另外,由于电机的转动惯量的存在,其转动速度还受驱动功率的影响,
9、当脉冲的频率大于某一值(本实验为f.100hz)时,电机便不再转动。实验电机共有四个相位(A,B,C,D),按转动步骤可分单 4 拍(A-B-C-D-A),双 4 拍(AB-BC-CD-DA-AB)和单双 8 拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A).此模块的主要功能是通过接收8255的 C口输入信号来控制步进电机的转动,A,B,C,D 分别代表不同的四个相位,分别接入到 PC0,PC1,PC2 和 PC3,实现转动控制。图 4.4 步进电机模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-6-页 共 24 页4.5 LED 模块和
10、8279 键盘控制模块LED模块的主要功能是前四位显示步进电机的步数,第六位显示速度,最后一位显示正反转的标志;8279 能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘控制部分提供一种扫描工作方式,可与64 个按键的矩阵键盘连接,能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码,能同时按下双键或键实行保护,其接收键盘上的输入信息存入内部FIFO缓冲器,并可在有键输入时向CPU 请求中断。此键盘模块主要是通过键盘输入设置速度、正反转、步数和停止来控制电机的转动。图 4.5 LED 模块和 8279键盘控制模块(1)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页,共 24 页 -
11、步进电机微机课程设计第-7-页 共 24 页4.6 系统编码存储器译码4.7 总电路图:见附表。五、软件设计软件设计主要是根据具体的硬件设计,应用汇编语言编写具体的控制程序执行相应的控制功能;通过串口程序使得控制更加方便。芯片信号线地址2732(两片)/Y0/Y1 0000000FFFH 02000-02FFFH 6264(一片)/Y2 0400005FFFH 待扩展/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7 0600007FFFH 0800009FFFH 0A0000BFFFH 0C0000DFFFH 0E0000FFFFFH 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页,共 24 页 -步
12、进电机微机课程设计第-8-页 共 24 页5.1 主程序流程图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-9-页 共 24 页5.2 延时程序流程图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-10-页 共 24 页六、调试与测试通过硬件和软件的结合测试,使该系统符合设计的基本要求,并保证可靠稳定地运行。在此基础上使系统能够更加全面地产生波形,给用户提供一个可操作观察的界面,以更方便容易操作和检查。6.1 硬件测试通过电脑中的相关实验来检测相应的硬件,具体情况如下:8255控制 A、B、
13、C、D相位检测 8255;8279键盘显示实验检测8279;七段数码管实验检测七段数码管;可编程定时器/计数器实验检测8253;串行通信检测8251 电路;步进电机控制实验检测步进电机;6.2 软件测试本系统的测试主要分为集成测试和验收测试2 个阶段。集成测试也叫组装测试或联合测试,是把经过单元测试检验的模块按某种策略装配起来,再进行测试。实践表明,一些模块虽然能够单独地工作,但并不能保证连接起来也能正常的工作。程序在某些局部反映不出来的问题,在全局上很可能暴露出来,影响功能的实现。例如,在本系统中,需要调用很多其它模块,因此,在这些模块编写完成并进行模块测试以后,需要再将它们组装起来并进行测
14、试。验收测试是在集成测试之后,按照任务说明书的要求所进行的测试。验收测试一般使用的是黑盒测试法,用户按照说明书里阐述的系统功能,一步一步地验证各个功能点,看是否能满足所有的功能要求,并且检查系统的性能是否达到需求规格说明书中的要求。在软件调试过程中,串口助手 COMPort.exe和星研集成开发软件里的单步执行对整个程序的调试起到了重大的作用。通过串口助手可以把有效的命令传给寄存器来控制步进电机,并且可以做适当的调试;通过单步执行程序,能够清楚的看到执行本条指令后各寄存器的变化程序,并判断这些变化是否是在控制之中的。如果这些变化是异常的,那么很容易就能找到问题的所在。在不断的调试过程中,我也遇
15、到了很多很多的问题,通过老师、同学以及指导书的帮助,这些问题都逐一得到解决,直到达到基本要求,符合预测结果为止。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-11-页 共 24 页6.3 测试操作实验箱的左上角有一个信号产生模块,左下角有一个开关输入模块有四个开关(S1,S2,S3,S4)分别接在 PB4,PB5,PB6,PB7上,通过开关的输入控制信号来控制步进电机的停转、正反转、选择有级调速和无级调速。功能如下表:其中的无极调速是通过调节实验箱左上角的信号产生模块的旋钮来调节信号的大小再经过 A/D 转换采样信号数值控制延时的长短,从而
16、实现无极调速,同时此时信号的数值会显示在屏幕上,还能通过屏幕上数值的大小来了解步进电机速度的变化。结论:该直流电机速度控制系统完全符合设计基本要求,并且运行稳定可靠,电机的启动/停转、改变转速都与预测结果相同。七、芯片资料7.1 8279 可编程键盘/显示接口芯片介绍S1S2S3S4步进电机状态电机速度0*停转零1000逆时针转速度一1001逆时针转速度二1010逆时针转速度三1011逆时针转无极调速1100顺时针转速度一1101顺时针转速度二1110顺时针转速度三1111顺时针转无级调速名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-12-
17、页 共 24 页8279是可编程的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能,又具有自动显示功能。8279内部有键盘 FIFO/传感器、双重功能的64BRAM,键盘控制部分可控制 8*8=64 个按键或控制 8*8 阵列方式的传感器。该芯片能自动消除键抖动并具有双键锁定保护功能。本次实验我们将利用8279 的以上功能设计点阵广告屏。首先介绍一下 8279 芯片:DB0DB7:8 位数据总线与系统数据总线相连,用 CPU和 8279 间的数据/命令传送。CS:片选信号 CS=0时,8279被选中。WR:WR=0.控制 8279 写操作。A0:数据选择输入线,A=0,CPU 读出为数据;A=1,CP
18、U写入数据为命令字,读出数据为状态字。BD:消隐输出线,BD=0有效,在切换显示数据或使用消令时,该信号将显示器熄灭。CLK:外部时钟信号输入线,8279通过内部定时器将该信号变为内部时钟,内部时钟频率的高低直接决定显示器的扫描时间,通常与编程设置为100Hz,此时,每位显示数码管的选通时间为0.64ms,设定显示字符 8 位和 16 位时,显示扫描周期分为 5.1ms 和 10.2ms.OUTA0OUTA3:A组显示数据输出线。OUTB0OUTB3:B组显示数据输出线。两组数据输出线可独立使用,也可合并使用,合并使用时OUTA3 为最高位,OUTB0 为最低位。SL0SL3:扫描输出线,有
19、2 种工作方式,即译码和编码输出,方式选择可通过编程设定。RL0RL7:输入线,它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列或行信号输入线。7.2 8255 可编程并行接口芯片介绍8255作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3 个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于 8255 可编程,所以必须具有逻辑控制部分,因而8255 内部结构分为 3 个部名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页,共 24 页 -步进电机微机课程设计第-13-页 共 24 页分:与 CPU 连接部分、与外设连接部分、控制部分。RESET:复位输入线,当该输入
20、端处于高电平时,所有内部寄存器(包括控制寄存器)均被清除,所有I/O 口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线,当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中,允许 8255 与 CPU 进行通讯;/CS=1 时,8255 无法与 CPU做数据传输.RD:读信号线,当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许 8255通过数据总线向 CPU 发送数据或状态信息,即CPU 从 8255 读取信息或数据。WR:写入信号,当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许 CPU将数据或控制字写入8255。D0 D7:三态双向数据总线,8255 与 CPU 数据传送的
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