二相步进电机控制系统的设计

课程设计

题目二相步进电机控制系统的设计学院自动化

专业自动化

班级

姓名

指导教师

2012 年7 月 3 日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级： ___

指导教师： __ 工作单位：

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：系统总体流程图及部分模块详细原理说明

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

摘要 (1)

1 设计意义及要求 (2)

1.1 设计意义 (2)

1.2 设计要求 (2)

1.3 设计思路 (2)

2 方案设计 (3)

2.1方案一的设计 (3)

2.2 方案二的设计 (4)

2.3 方案比较 (4)

3 硬件设计 (5)

3.1系统整体硬件电路图 (5)

3.2 8086CUP系统的硬件设计 (5)

3.2.1 8086最小模式系统配置设计 (5)

3.2.2 存储器的拓展 (6)

3.3 控制系统输入模块的硬件设计 (7)

3.3.1 可编程接口芯片8255A (7)

3.3.2 数据输入端接口电路硬件设计 (8)

3.4 控制系统输出模块的硬件设计 (8)

3.4.1 L298芯片介绍 (8)

3.4.2 输出端接口电路硬件设计 (9)

4 软件设计 (10)

4.1 整体流程的分析与设计 (10)

4.2二相步进电机工作原理分析 (11)

5 系统的仿真 (12)

结束语 (13)

参考文献 (14)

电子计算机是20世纪科学技术最卓越的成就之一，它的飞速发展在人类科技史上还没有哪一门学科可与之相提并论。计算机技术的发展所带来的信息技术的飞速发展，给人类社会带来了进步，使人们的生产，生活发生了深刻的变化。工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

本次课程设计的目的，主要是要求我们能够了解计算机控制系统设计的基本流程以及掌握计算机控制系统设计的基本方法。此次的课设主要的任务是，通过外部设备输入八位开关二进制补码，利用输入的量，达到对二相步进电机转速和转向的控制。设计主要是从硬件和软件两方面入手。硬件部分包括：8086最小模式系统的组合与连接，存储器的拓展，数据输入输出模块设计。此次设计主要是利用8086CUP系统，通过8255A接口芯片接收外部设备输入的数据，再将接收的数据输出给二相步进电机驱动芯片L298，利用L298将接收的数据转化成对应大小的电压，输出给电机，从而驱动电机。软件部分包括各个模块的控制程序。主要是利用8086指令，及二相步进电机四拍，八拍的工作原理，汇编相应的程序代码，输入给8086CPU系统，从而达到软硬件的结合，最终实现对二相步进电机的转速与转向的控制。

关键字：8086最小模式；8255A；L298；二相步进电机

二相步进电机控制系统的设计

1 设计意义及要求

1.1 设计意义

通过此次的课程设计，我们可以巩固和加深自己所学的知识，并将之运用到实践中去，加深自己对计算机控制技术的理解。此次的课程设计，是一次理论与实际结合的真实体验，能让我们亲身体会到理论与实际的差距，也能让我们发现自身的不足，促使我们在日后的学习中，除了认真学好理论知识外，还应经常独立思考，加强实践，为以后走出学校，走入社会做更充足的准备。

1.2 设计要求

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,四拍，八拍原理说明。

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。

1.3 设计思路

根据任务要求，本次课程设计的思路为：由外部设备以八位补码的形式，输入数据，该数据通过CPU及驱动电路的处理，输出给步进电机，以启动电机并能够控制电机的转向及转速，图1-1为总体设计框图。

图1-1 总体设计框图

2 方案设计

2.1方案一的设计

图2-1 方案一硬件连接图

图2-1为方案一的硬件连接图，其中，CUP系统根据任务要求采用8086最小系统模式，数据的输入是通过八个开关控制输入，其接口芯片采用的是两片74LS244组成一个八位的数据缓冲器，八位开关的数据通过两片74LS244组成的A0-A7 输入，然后，74LS244将接收的数据传给8086CUP的数据总线，再经由CUP传给驱动芯片L298，从而驱动电机。

图2-2 74LS244硬件连接图

2.2 方案二的设计

图2-3 方案二硬件连接图

图2-3为方案二的硬件原理图。该方案同样是采用8086CPU最小模式系统与L298驱动芯片，不同的是，其接口电路采用的是8255A接口芯片，八位开关补码从该芯片的A口输入，从其B口输出给驱动电路。

2.3 方案比较

两个方案的共同点是，都采用8086CUP系统控制，驱动芯片皆采用L298，不同点是，方案一用74LS244接口，方案二用8255A接口。74LS244没有锁存的功能，地址锁存器就是一个暂存器，而8255A有锁存功能，这样，数据信息不易丢失。综上所述，本次课设采用方案二。

3 硬件设计

3.1系统整体硬件电路图

图3-1系统整体硬件电路图

由任务要求，用proteus 软件，设计并画出硬件电路，其系统总体硬件电路图如图3-1所示。

3.2 8086CUP 系统的硬件设计

3.2.1 8086最小模式系统配置设计

8086最小模式系统的配置，需要有一片74LS245和三片74LS373地址锁存器共同配合。74LS245为双向总线驱动芯片，其类似于在8086CPU 数据端与数据总线加了一道单向通行

的门，其开通与否及方向由8086CPU 的DEN ______

及DT/R ___

信号控制。DEN ______

低电平有效，表示允许

输入输出数据，DT/R ___

为高电平时，表示数据从CUP 向外部输出，即完成写操作，当其为低电平时，表示数据从外部向CPU 输入，即完成读操作。由于8086CPU 的低八位地址线与数据线公用，所以在工作时必先将地址信号锁存，否则地址信号必然丢失。在74LS373中，

需将其OE ____

端接地，表示输出允许；LE 端接8086CPU 的ALE 控制信号，配合完成地址锁存。

3片74LS373的20个输出管脚组成了地址总线，与其他设备连接。图3-2为8086最小模式系统硬件电路图。

图3-2 8086最小模式系统硬件电路图。

3.2.2 存储器的拓展

由初始条件可知，CPU要求拓展4K的EPROM及2K的RAM。这里采用2732EPROM芯片和6116RAM芯片。2732容量为4KB，有12条地址线，6116容量为2KB，有11条地址线。将2732和6116的数据线D0-D7与8086系统数据线相连，将二者地址线也与8086系统的址线相连。通过138译码器对其进行选通。本例拓展后，RAM地址为8000H。ROM地址为8028H

。图3-3为存储器拓展电路图。

3.3 控制系统输入模块的硬件设计

3.3.1 可编程接口芯片8255A

8255A 是一种通用的可编程并行I/O 接口芯片，广泛用于几乎所有系列的微机系统中，如8086、MCS51、Z80等。8255A 具有三个带锁存或缓冲的数据端口，可与外设并行进行数据交换。用户可用程序来选择多种操作方式，通用性强，使用灵活，可为CPU 与外设之间提供并行输入/输出通道。图3-4为8255A 引脚图。

图3-4 8255A 引脚图

如图，D0-D7为双向数据总线，一般直接与CPU 的数据线相连。PA0-PA7，PB0-PB7，PC0-PC7分别为8255A 芯片A,B,C 端口的I/O 线。A1，A2为端口地址控制线，RESET 为复

位线，C S ———

为片选信号，RD ___

和WR ___

为读写控制线，一般直接与8255A 的读写控制端相连。

8255A 有三种工作方式，分别为方式0，方式1，方式2。由于本次课程设计运用的是方式0，故具体介绍方式0。方式0主要是工作在无条件的输入/输出的方式下，不需要“联络”信号。A 口，B 口，C 口均可工作在此方式下。在方式0下，C 口的输出位可由用户直接独立设置为0或1。

8255A 的使用，需通过控制字来实现。控制字有D7-D0共八位，D7设为1，为该控制字的标志。D6和D5决定A 口工作方式，D4决定A 口是作为输入还是输出，D3决定C 口上半部I/O 是作为输入还是输出，D2决定B 口工作方式，D1决定B 口是作为输入还是输出，D0是决定C 口的下半部是作为输入还是输出。

3.3.2 数据输入端接口电路硬件设计

任务要求通过读取8个开关的状态从而读取数据。这里用八个开关和八个发光二极管组成外部输入设备，向接口芯片8255A的A端口输入数据。当开关闭合时，8255A的A 端口的各个输入端接收到的是低电平信号，即代表二进制数0，同时发光二极管有电流流过发光。故在数据输入端，发光二极管亮代表输入数据0，暗代表输入数据为1。图3-5为数据输入端硬件电路图。

图3-5数据输入端硬件电路图

3.4 控制系统输出模块的硬件设计

3.4.1 L298芯片介绍

L298N为双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由8086的IO端口来提供模拟时序信号。

图3-6 L298引脚图

如图，为L298引脚图。其中，EnableA和EnableB为使能端，高电平有效；SenseA、SenseB分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地；Input1-Input4为输入端口，Out1-Out4为输出端口。

3.4.2 输出端接口电路硬件设计

输入8255A的A端口的数据，通过8086CUP系统的控制，由其B端口输出至L298，再经L298将外设输入的数据转换为电压，通过其四个输出端口，输出给步进电机，以此来驱动电机。其中，由开关输入的八位二进制补码的正负，将决定L298输出电压的极性，从而改变电机的通电方式进而改变其转向，补码输入的大小将确定延时的时间，从而确定步进电机的转速。开关量越大，绝对值越大，延时越短，转速越快。图3-7为步进电机硬件驱动电路图。

图3-7步进电机硬件驱动电路图

4 软件设计

4.1 整体流程的分析与设计

软件模块的设计需要根据硬件电路的设计来进行，由任务要求和硬件电路可以看出，程序需要实现以下功能：1，通过八个开关的闭合，实现电机的启动与停止；2，通过八个开关输入的补码，控制输入给步进电机的电流的大小与极性，从而实现步进电机的正转反转与调速；3，要求步进电机能实现四拍，八拍的工作。程序设计的总体思想是通过8086CPU 系统控制8255A和L298，使其能将外部输入的数据，转换为电机所需的电流传送给电机，并按要求使其转动。为了满足这些功能，总体的流程图如4-1所示。

图4-1 总体程序流程图

4.2二相步进电机工作原理分析

二相六线式步进电机，它有2个绕组，且每个绕组都有一个中间抽头。因此，二相步进电机也就有了6根引线。当电机中的绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到相应的磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向使定子在顺时针方向轮流产生磁场，则电机可顺时针转动；通电方向使定子在逆时针方向轮流产生磁场，则电机可逆时针转动。

任务要求需要对二相步进电机进行四拍，八拍的控制。其两者的区别在于通电时序的不一样，四拍的通电方式为：B

A→

→

→，其方式字为02H，08H，01H，04H。

而八拍要在此基础上进行细分，在中间插入，其通电方式为：A

→

A→

B A

A→

→。其控制字为02H，0AH，08H，09H，01H，05H，04H，06H。

→

二相步进电机四拍工作方式的程序流程图如4-2所示。

图4-2 二相步进电机四拍工作方式程序流程图

5 系统的仿真

图5-1 系统仿真图

如图5-1，PA0-PA7为八位开关补码低到高位的输入口，P71为0和1，即当输入的电流大小为正和负时，电机分别以一定的速度正转和反转，其结果如图5-2所示。

图5-2 转速仿真结果图

结束语

此次的课程设计，体会颇多。刚刚开始拿到题目时，我脑中没有一点头绪。把每个元件单独拿来看，8086,8255A，每个都是自己所学的器件，且每个器件单独的编程也熟悉，相应的题目曾经也做过许多，可以称得上能够熟悉地解题，为什么要求把它们几个运用起来一起做东西却无从下手呢？这说明了我学习方法上有所缺陷。我只知道埋头解题，不懂得将理论结合实践，也说明，我学习缺乏联想与运用，在学到一个新的知识时，不懂得将它与之前所学的知识联系起来，不会去考虑新旧知识该怎样结合，运用于实际，这是我从这次课设中认识到的自身的不足。

此次课程设计，我也遇到了些困难。比如，L298是个我所新接触的芯片，开始时不懂得怎么运用，导致驱动电路部分不会连接。后来，我就上网，上图书馆查找资料，看看别人的设计方案，从中学习。许多人会把查到的资料直接复制到自己的文本上去，其实，查资料，并不意味着抄袭，查资料只是为了帮助我们理解题目，启发我们的思路，我就是这样，通过看资料上的设计方案，逐渐明白了题目的主旨，明白了各个器件之间应该怎样配合运用，也从中得到了启发，让我有了解决方案的新思路。

从这次课设中，我也学习到了怎样运用互联网这个平台进行自主学习。课设过程中，我有许多的编程，或是芯片的用途不了解，或是相应的软件不会运用，我都是通过网上搜索找到答案的。网上搜索，关键词很重要，精准的关键词不仅可以帮助我们快速地找到所需的资料，也可以让所查找的资料更准确，更符合我们的要求。网络是把双刃剑，许都人都利用上网玩游戏，看电影而浪费了时间，我们要学会避开其弊的一面，转而充分利用其有益的一面，这样，网络就能成为我们学习的一个很好的渠道。

总之，这次的课设，辛苦多多，收获多多，我需要学习的地方也很多。这次的经验，会让我日后更加注重实际能力的培养，让自己的羽翼更加丰满。

参考文献

[1] 于海生、高军伟等编著.《计算机控制技术》.机械工业出版社.2010年

[2] 彭虎、周佩玲等编著.《微机原理与接口技术》.电子工业出版社.2008年

[3] 康华光编著.《电子技术基础-数字部分（第五版）》.高等教育出版.2006年

[4] 祁存荣、陈伟编著.《电子技术基础实验（数字部分）》.武汉理工大学教材中心.2010年

[5] 梁宗善编著.《新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计》.华中理工大学出版社.2007年

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

年月日