1、步进电机自动控制系统 步进电机自动控制系统设计内容设计用PC机对四相步进电机，方向，步数及自动化控制系统，并编写汇编程序实现相应轻能。设计要求（1）设计控制系统硬件电机。（2）由8255键盘控制电机的方向，走的步数,并由数码管显示相应的参数。（3）在命令执行结束后，由PC内部扬声器发出信号提示。设备与器材PC机一台，TPC1实验台一个，并行接口8255一片，步进电机一个，LED数码管4个，74ls164按键11个， GAL芯片一个，74LS245一片。 硬件方案硬件共分成5个模块：译码驱动电路，8255控制键盘模块8255LED显示模块，步电机驱动模块，步进电机模块a) 译码驱动电路方案一使用
2、适当的门电路来实现不同地址的，用74LS245做数据驱动，缺点：由于只使用门电路，电路连线非常复杂方案二使用76LS138和适当门电路实现译码，相对于方案一电路复杂度有一定的改观，在TPC实验箱上使用这种译码方案方案三使用可编程逻辑器件GAL16V8实现译码功能，用GAL优点：成本低，电路连线少。本设计选择这个方案来实现译码功能。a) 键盘模块方案一用825512个口直接接按键，此方法成本高，不使用行列法，浪费端口，如用行列法只用7个端口。方案二使用2个74LS273或74LS373控制键盘，其中一个控制行，273反向从键盘中读数据，另一个控制列选，273正向向键盘发数据。方案三 使用7281
3、芯片同时控制键盘和数码，7281通过串行口和总线通信，端口使用少，且操作方便。方案四 PC04，PB04分别控制16个按键。由于本模块技术已经成熟，在应用中广泛使用，所以本设计选择此方案来实现。c) LED数码管显示模块方案一74LS138一片，ULN2803A一片和74HC573一片，来实现显示，74LS138译码送UNL2083A通过UNL2083A控制位，通过74HC573控制数据，本方案，成本较高，要单片机中有使用比较多。方案二使用一片8255A控制两个74HC573和一个正相驱动器74LS07和一个反相驱动器74LS06分别控制4个LED位选和编码数据传输。此方案用到了8255A由于
4、模块中用到的8255A3个口都以使用，再用一个8255A成本比较高。方案三通过一个片信号，两个74HC373和一个正相驱动器74LS06和一个反相驱动器74LS07分别控制3个LED位选和编码数据传输。此方案成本低，但是软件实现的点复杂。方案四使用4个74HC373和控制4个LED编码数据，用8255APC高位和总线片选信号控制数据输入位选，由于是静态显示，一般用于1个或2个数码管的显示。方案五使用4个74LS164，通过串行移位来实现LED显示。成本不高，使用端口少，可以直接通过8255PC7和PB7口，一个做为移位控制，一个送数据。本设计使用此方案d) 步进电机驱动模块方案一使用4N25光
5、电耦合，隔离步进电机和控制电路的电源，保护电源。使用达林顿管做为驱动。方案二使用TIP521光电耦合，隔离步进电机和控制电路的电源，并使用三极管9013进行驱动。这里用此方案。e) 步进电机模块方案一方案二实现判断键按下的先后。本设计使用此方案硬件方案论证1 译码驱动电路译码驱动电路如图001所示，有一片GAL16V8芯片和一片74F245芯片组成。其中GAL16V8用于译码，在其内部烧入软件，如图把A2A9接入并译码成/y0、，/y0做为片选信号地，细详地址编码如下表 二进制地址 十六进制地址 /y0(8255)10000000 20020374F245芯片用于驱动，由于总线数据信号和各芯片
6、数信号弱，驱动能力差，所以必须在8根总线数据线和各芯片数据线之间加一个双向驱动器74F245。74F245芯片用于总线和外扩芯片间数据交换时74F245芯片有效，/G为低电平有效，/G连接GAL，/gg端口通过A5A6A7A8A9，IOW,IOR，AEN来控制，当符合/GG=A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/IOR*/AEN+A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/IOW*/AEN这一公式，那么19端口输出为低，74F245允许数据并加强信号。IOR、IOW也通过GAL16V8进行信号驱动加强。译码驱动电路如下：2、8255控制键盘模块8255控制键盘，在技术上的已经非常成熟，在这里设计
7、为行列描法对键盘进行控制。其中PC0、PC1、PC2、PC3控制行选，PC4、PC5、PC6控制列选。当列选中一列发出0信号时，三行读数据，如有键按下，相应行的电压为0V，即读数为“0”。反之，无按下那么三位读都为“1”。键盘编码从第一行到第三行为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F3、8255LED显示模块如图所示,下图为发光二极管控制电路，用于标志，任务号74LS164为移位寄存器，当CLK来一个正脉冲74LS164移位一次，即我们要给84个脉冲信号，并在一次脉冲前给在PC7给出相应的“0”或“1”，在164和数码管之间加一个500欧的限流电阻。这里设计为阳极数据
8、管。PC7控制CLK，PC6控制移位补充位。 4、步电机驱动模块8255PA控制四相电机的数据，并通过74LS373锁存，PB0控制74LS373数据是否可以通过。当PB0为高电平时，74LS373数据可以通过，并送出相应的数据。使用TIP521光电耦合，隔离步进电机和控制电路的电源，并使用三极管9013进行驱动，达到四相电机的驱动电流。5、步进电机模块步进电动机的工作原理及运用步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁。其中全部励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称为1-2相磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个
9、脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。分述如下：（1） 1相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小，精确度良好，但转矩小，振动较大，每送一励磁信号可走1.8度。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁顺序：A-B-C-D-ASETPABCD11000201003001040001(2) 2相励磁法：在每一瞬间会有两个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故目前使用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机
10、反转。励磁顺序：AB-BC-CD-DA-ABSETPABCD11100201103001141001(3) 四相双八拍顺序：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DABSETPABCD11100211103011040110500116101171001811013、步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机不再运转。所以在每走一步后，程序必须DELAY一段时间。 在这里使用四相八拍步进电机。（2）、软件方案论证根据硬件所选的方案，软件共分成6个模块：GAL16V8芯片译码电路的编程主程序模块，、初始化模块，、电机数据设置模块、8255四相
11、电机控制模块164和LED显示模块 键盘模块GAL16V8芯片译码电路的编程源代码：GAL16V8ADDRESS DECODERHZY 2005-07-12DECODERNC A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 GNDNC GG IOWout IORout Y1 Y0 AEN IOW IOR VCC/Y0=A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/A4*/A3*/A2*/IOR*/AEN+A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/A4*/A3*/A2*/IOW*/AEN/Y1=A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/A4*/A3*A2*/IOR*/AEN+A9*/A8*/A7*/A6*
12、/A5*/A4*/A3*A2*/IOW*/AEN/IOWout=/IOW/IORout=/IOR/GG=A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/IOR*/AEN+A9*/A8*/A7*/A6*/A5*/IOW*/AENDESCRIPTION地址编码表 二进制地址 十六进制地址 /y0(8255)10000000 200203 /y1(8259)10 0000 01 204207 主程序模块主程序模块主要实现三大子功能：对各芯片进行初始化操作根据硬件的连接和抢答的流程把各个功能模块有序的组织起来读任务并根据任务向步进电机送电。电机数据设置模块 以上为设置电机任务流程图，主要是设置转向，步数。由于
13、人输入的是十进制的，而机器使用16进制计数，所以我们要把十进制转化为十六进制。在执行任务时，也一样，要把十六进制转化为十进制通过数码管显示。 四相电机八拍正反转动子模块 电机在本系统中，主要是控制方向和控制步数。主要是通过两子程序来完成，正向八拍子程序和反向八拍子程序，两个子程序没在的区别，主要是送数过程相反，在这里主要以正向程序进行分析。以下为正转八拍流程图：LS164和LED显示模块 设计选用LS164做为数码管的控制源，74LS164做为移位锁存驱动芯片，是8位串行输入并行输出，并行口直接与数码管相连，这里有4 个数码管，用4个164，所以显示需改变，要重新移位送数4*8个。键盘模块 本
14、方案使用4*4键盘，并过8255控制，其中PC0-4控制行，PB0-4控制列。在需要按键时不断的扫描行(该行送0)，并读PB口，如有位为“0”那么可通过送0位和读0位判断是哪个键按下，并将键值送入键盘缓冲区。调试分析： 在设计过程中，不管在硬件设计和软件设计过程中，需要一步一步，全面的设计不能想到点做一点，要全面的考虑。如在硬件布局中，不能拿到芯片就向往上焊，需要先设计整体布整图在焊接。GAL调试出现的问题：在*.lst文件中的GAL管脚图中，发现10管脚不为GND，为A2原因：在写程序时，多写了一个A6，使GAL出错经验总结：以前地认为类似这种错误，在编译时会自动找到，会有出错提示，有思维定
15、式，所以以后写程序时，要注意尽量少出现类似的低级错误。显示模块调试出现的问题：在上电调试时，发现显示出错，从0到F显示乱码，只控制全灭和全亮。原因查找思路：可能是LEDTB出错，少写，移位或者把阳极编码写成阴极编码。 硬件电路出错，移位输入口AB接错。显示子程序出错，在控制4*8次移位时出错多移或少移。8255控制出错 原因：为LED编码表出错，由于设计硬件使用右移方式，即从DP，G移到A，但是LEDTB中从高到低为G到A，右移时先移A，所以软硬件不统一，导致，显示出错。 经验总结：设行时思路要清楚，软硬件要统一。再仔细察一次。 出现问题：光电耦合送1，送0，输出都为高。原因查找思路：输入输出
16、接地线出错 输出上拉是阻过小 原因：用万用表查得，TIP521已烧掉，此时发现输入输出的限流电阻太小只有200欧，电流太大。 解决方案：限流电阻使用1K电阻经验总结：设行时，要全面的考虑，要很好考虑上拉限流，防止出错。 附页作品实物图：源代码：;-步进电机自动控制系统- ;-向端口送数宏-wp macro port,dat mov dx, port mov al, dat out dx, al endm;-读端口宏-rp macro port mov dx, port in al, dx endm;-屏幕显示字符串宏-info macro port mov ah,09h lea dx,port
17、 int 21h endm;-延时宏- delay macro port,dat push cx push ax mov dx,port mov cx,dat mov ah,86h int 15h pop ax pop cx endm;- data segment c8255_ctl equ 203h; 8255控制口 c8255_a equ 200h; 8255A口 c8255_b equ 201h; 8255B口 c8255_c equ 202h; 8255c口 pstb1 db 05h,15h,14h,54h,50h,51h,41h,45h; 四相双八拍正向加电代码 pstb2 db 4
18、5h,41h,51h,50h,54h,14h,15h,05h; 四相双八拍反向加电代码 pslong db 08h; 表示加电方式八相 steplong dw 0000h,0000h,0000h,0000h,0000h; 走的步数 step1 db 00h; 键盘输入时百位 step2 db 00h; 键盘输入时十位 step3 db 00h; 键盘输入时个位 step dw 0000h direct db 5 dup (0ah); 旋转方向,0a为正向，0b为反向 dir db 0ah; fin db 00h; 一次任务是否完成标志位,00是未完成，01为完成 keytb db 0ffh;
19、键盘输入存储区 playtb db 4 dup (00h); 显示缓存存放0到11h,10为全灭，11为全亮,4个数码管 dptb db 4 dup (00h); 存放playtb转换过来的LED编码 Ctb db 0feh,00h,0fdh,00h,0fbh,00h,0f7h,00h,0efh Ctb1 db 0feh,0fdh,0fbh,0f7h,0efh;LED发光二极373输出代码 LEDtb db 003h,09fh,025h,00dh,099h,049h,041h,01fh; db 001h,009h,011h,0c1h,063h,085h,061h,071h,0ffh,00h;-
20、0ff为全灭，11为全亮data endscode segment assume cs:code,ds:datastart: mov ax, data mov ds, ax call init; 初始化main: call setdata; 设置电机数据 mov di, 00h mov si, 00hrunbegin: wp 204h, ctb1si wp c8255_ctl, 00001011b; PC5=0 关373 mov ax, steplongdi; 读第di个任务步数 ;wp 204h,ctbdi mov step, ax cmp step, 0000h; 如果步数为0，执行下一个
21、任务 je runnext mov al, directsi; 读第di个任务的转向，并存入显示区 mov dir, al mov playtb+3,al cmp dir, 0ah je run1; 是否正转 cmp dir, 0bh je run2; 是否反转run1: call move1; 正转操作 cmp fin,00h je run1 jmp runnextrun2: call move2; 反转操作 cmp fin, 00h je run2 jmp runnextrunnext:inc di inc di inc si cmp di,09h ja goon jmp runbegin
22、 goon: mov playtb+2,0eh; mov playtb+1,0eh; mov playtb, 0eh; mov playtb+3,0eh; 显示E call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s mov playtb+2,0fh; mov playtb+1,0fh; mov playtb, 0fh; mov playtb+3,0fh; 显示F call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s call sound call keyset cmp keytb,0eh jne exit1 jmp main; 如果按下E继
23、续exit1: cmp keytb,0fh jne goon; 如果按下F退出系统exit: mov playtb+3,10h mov playtb, 10h mov playtb+2,10h mov playtb+1,10h call display mov ah, 4ch; 返回DOS int 21h; 返DOS;-初始化子程序-init proc wp c8255_ctl, 10000010b; 8255PA,PC输出，PB输入 wp c8255_c, 0ffh wp c8255_ctl, 00001010b; PC5=0 关373 wp c8255_ctl, 00001110b; pc
24、7=0 关ls164 retinit endp;-初始化子程序-;-电机数据设置子程序-setdata proc push si push ax push dx push cx mov direct,0ah mov direct+1,0ah mov direct+2,0ah mov direct+3,0ah mov direct+4,0ahsetst: mov si, 00h; 第几个任务 mov di, 00hset: wp 204h, ctbsi mov playtb+2,00h; 设置步数百位00 mov playtb+1,00h; 设置步数十位0 mov playtb, 00h; 设置
25、步数个位set1: mov al, step1 mov playtb+2,al; 设置步数百位 mov al, step2 mov playtb+1,al; 设置步数十位 mov al, step3 mov playtb, al; 设置步数个位0 mov al,directdi; 设置正转反转 mov playtb+3,al; 设置正转反转0a call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s mov playtb+3,010h; 设置正转反转全亮全灭 call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s call keyset cmp
26、keytb, 0eh; 是否确定 jne set10 jmp setokset10: cmp keytb, 0ah; 是否为正转 je set2 cmp keytb, 0bh; 是否为反转 je set3; cmp keytb, 0dh; 是否设置下一个量 je setstep1; 跳往设置步数百位 jmp set1set3: mov directdi, 0bh; 反转 mov playtb+3,0bh jmp setstep1set2: mov directdi, 0ah; 正转 mov playtb+3,0ahsetstep1: mov al, step1 mov playtb+2,al;
27、 设置步数百位 mov al, step2 mov playtb+1,al; 设置步数十位 mov al, step3 mov playtb, al; 设置步数个位0 mov al,directdi; 设置正转反转 mov playtb+3,al; 设置正转反转0a call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s mov playtb+2,010h; 设置步数百位全灭 call display delay 0a000h, 0h; 延时0.005s call keyset cmp keytb, 0eh; 是否确定 jne setstep11 jmp setoksetstep11: cmp keytb, 0ch; 设置上一个量 jne setstep10 jmp set1setstep10: cmp keytb, 0dh; 设置下一个量 je setstep2 cmp keytb,09h ja setstep1 mov al,keytb mov playtb+2,al mov step1,al; 设置步数百位
