二相步进电机控制系统的设计

课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化0903班指导教师：工作单位：自动化学院题目:二相步进电机控制系统的设计初始条件：采用8086最小模式，扩展4K的EPROM及2K的RAM，利用L298，输出双极性模拟电压驱动二相步进电机，使其按不同速度正反转，电机以八个开关以补码形式给定输入并以发光二极管显示出来，转速为-500rpm~+500rpm要求完成的主要任务:1．硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图2．软件设计：系统总体流程图、步进电机四拍，八拍各模块流程图、显示模块流程图等3．编写程序：能够完成上述任务4．完成符合要求的设计说明书时间安排：2012年6月25日~2012年7月3日指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要...............................................................11设计任务及要求....................................................21.1设计任务....................................................21.2任务分析....................................................22方案选择及论证....................................................32.1总体思路....................................................32.2控制部分设计................................................42.3驱动电路部分设计.............................................43硬件电路设计模块..................................................53.1硬件系统总原理图.............................................53.2控制部分.....................................................63.2.18086CPU的介绍.........................................63.2.28255A的介绍...........................................73.2.3原理分析..............................................103.3步进电机的介绍..............................................123.3.1步进电机的特点........................................123.3.2步进电机工作原理......................................133.3.3二相步进电机..........................................133.4电机驱动部分...............................................143.4.1L298芯片介绍.........................................143.4.2驱动电路原理分析......................................153.5电机正反转与调速电路.......................................174软件设计.........................................................184.1设计思路...................................................184.2各程序流程图...............................................185系统仿真.........................................................20小结体会...........................................................23参考文献...........................................................24附录一系统的总设计图..............................................25附录二部分代码....................................................26武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书1摘要目前，随着电子技术，控制电路的发展，步进电机的技术已很成熟，特别适合小功率开环定位系统，至今没有能取代它的更适合产品，今后将继续稳步发展和完善化。它广泛应用与打印机，电动玩具等消费类产品及数控机床等机电产品中。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度，节约能源都具有重要意义。本控制系统的设计由硬件部分和软件部分两部分组成，完成二相步进电机的控制。其中，硬件部分主要包括8086CPU，8255A,按键模块，步进电机驱动模块等功能模块的设计，以及硬件电路在PROTEUS上的仿真。软件部分主要包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向和模式的控制，并且将步进电机速度动态显示出来。关键字：二相步进电机、8086、8255A，Proteus仿真。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书2二相步进电机控制系统的设计1设计任务及要求1.1设计任务设计一个二相步进电机控制系统，要求采用8086最小模式，利用L298芯片，输出双极性模拟电压驱动二相步进电机，使其按不同速度正反转，电机以八个开关以补码形式输入并以发光二级管显示出来，转速为rpmrpm005~500-。硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图。软件设计：系统总体流程图、步进电机双四拍，单双八拍各模块流程图。同时编写程序，完成上述任务。1.2任务分析设计任务要求设计一个二相步进电机控制系统，分析知该系统应具有以下功能：1)二相步进电机控制系统能实现二相双四拍、二相单四拍、二相八拍的方式运行。因此需要由输出相应的控制字序列进行控制。2）二相步进电机控制系统能实现正反转。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书32方案选择及论证2.1总体思路二相步进电机控制可以由单片机、PLC、8086CPU实现。这里我们采用8086最小模式来实现控制，具有成本低的特点。步进电机的驱动的电路是由八个开关控制按键经过8255A到8086CPU然后在产生控制信号又通过8255A产生的控制信号进行工作的。因此通过按键输入用户对电机的控制要求，由8086CPU、8255A芯片读取按键信息并通过处理调用相应的模块输出到驱动芯片完成对电机的控制要求。因此，此系统主要由8086CPU及8255A构成的控制部分、电机及驱动电路、工作状态控制模块组成。总体设计框图如图1所示。图1总体设计框图总体设计硬件设计8086CPU连接与工作模式选择存储单元的地址分配，译码数据输入输出的接口设计L298的连接控制信号的产生软件设计数据输出数据输入数据处理武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书42.2控制部分设计步进电机是将电脉冲信号转换成响应的角位移或者线位移的数字控制电机。按照输入脉冲指令旋转，脉冲数决定旋转位移的大小，脉冲频率决定旋转速度。其控制可以用硬件电路和以微型计算机为核心的控制系统的实现。硬件方式的电路实现的控制功能较为单一，这会导致改变控制功能时还要重新设计硬件电路，灵活性差，应用起来成本也会增加。而以微型计算机控制系统属于硬件结合的控制方式，少量的硬件连接和软件实现控制完成主要的控制功能，灵活性大。本电路要求采用8086来实现电机的控制。步进电机通过数据线进行与驱动电路的数据传送，硬件连线只需信号传输线路即可，对电机的运行状态等各项控制要求通过软件来实现。8086通过8255A来实现对驱动电路的控制，使驱动电路进行相应的绕组通电操作完成各种用户要求。2.3驱动电路部分设计步进电机的驱动方法一般有两种：一种是直接由CPU来驱动，但因为输出电流的脉冲很小不足以让步进电机转动；另一种通过CPU间接来驱动，把其输出信号进行放大，然后来驱动步进电机。任务要求采用双极性控制，典型的两相双极驱动电器原理图如图2所示，本设计采用芯片L298来控制电机的驱动系统。L298构成的驱动系统需要时间很少。关于脉冲分配以及对步进电机的各种控制操作由软件控制完成，能够灵活均衡的控制步进电机。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书5图2两相双极驱动电器原理图3硬件电路设计模块3.1硬件系统总原理图由前面分析可得控制电路用到8086，并通过8255A与驱动电路相连，再由驱动电路控制电机的运转，其硬件系统原理图如图3所示8086cpu8255A系统ALEBLEDNE150-ADADRDWRIOM/RDT/驱动模块步进电机开关部分LED显示图3硬件系统原理图武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书63.2控制部分3.2.18086CPU的介绍8086CPU的内部结构如图4所示，~~暂存寄存器ALU标志寄存器EU控制线路数据总线（16位）Σ总线控制电路8086总线CSDSSSESIP内部寄存器123456AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器数据寄存器指针和变址寄存器AXBXCXDX队列总线（8位）指令队列缓冲器（16位数据总线）地址加法器DB(16位)AB（16位）图48086CPU内部结构框图8086CPU由两部分组成，指令执行部件和总线接口部件。指令执行部件主要功能是执行指令，总线接口部件主要功能是形成访问存储器的物理地址，访问存储器并运行指令暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或I/O端口读取操作数并参加指令执行部件运算或存放运算结果等。因为功能是分开的，所以在大多数情况下，在取指令的同时，执行指令部件也在工作这就有效的加快了系统的运算速度。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书73.2.28255A的介绍8255A内部结构图如图5所示数据缓冲器DB读/写控制电路RDWRRESETCS0A1AA组控制B组控制A组端口B组端口B组C口（4）A组C口（4）70-PAPA70-PBPB04-PCPC47-PCPC图58255A内部结构图8255A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三个端口各自的工作方式，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.武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书8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