微机接口技术课程设计说明书.docx

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微机接口技术课程设计说明书

微机接口技术课程设计说明书

课题名称：

直流电机调速实验

学院：

专业：

机械设计制造及其自动化

组员：

指导老师：

日期：

2014年6月1日

1．课程设计任务书

题目：

直流电机转速与正反转的控制

1.1任务要求

在Dais试验台基础上设计并调试一个外接电路，能够测量和显示所测量的值，并且具有一定得控制功能，变成并完成整个开发系统。

每组一题，分别由3-4位同学合作完成。

1.2主要技术要求

1）实现电机的正反转控制

2）实现电机转速自动调节

1.3主要完成任务

1、查找相关资料，确定课程设计方案；

2、微机接口电路硬件的焊接、装配、逐步排除故障及调试；

3、用protel2004绘制微机最小系统配置原理图；

4、用protel2004绘制相关项目的接口原理图；

5、编写有关项目的程序，并进行调试；

6、按照相关项目内容要求，上机进行联调；

7、编写课程设计报告。

1.4提交成果

1、课程设计说明书一份（电子文档和打印稿各一份）。

要求:

内容完整，图表完备，条理清晰，分析有据，计算准确。

所附电路图布局合理，清洗完备，图形和符号要规范。

2、所有原器件清单。

3、电路实体一套。

要求:

该电路实体必须是经过自己安装调试并达到性能指标要求的电路实体。

1.5时间安排

4.30--5.30机械学院微机原理实验室（2教北424、428）

4.30.及5.21分组及分配课程设计任务,11教305

5.5～5.20上机熟悉Protel2004软件，完成微机最小系统配置原理图下午，

5.22～5.24查找相关资料，初拟总体方案。

5.25借领工具，PCB板及相关元器件（下午13:

00在2教北428领）

5.25～5.28相关程序设计、编写及联机调试。

5.29～5.30各项目PCB板的焊接、装配、调试等工作（2教北424）

5.31～6.1答辩及验收课程设计成果（归还所借工具，上交课程设计成果）。

6.3提交修改后的最终报告及成果。

六、注意事项

1、按时上下机，严禁玩游戏，注意公共卫生。

2、爱护实验室内一切实验设施，违者按零分计。

3、爱护借用的工具，丢失工具者按原价赔偿。

故意损坏工具者按零分计，并原价赔偿。

4、注意安全。

下课时关闭总闸与空调，拔掉电烙铁，关好门窗。

5、不准用笔在实验桌上乱写乱画，否则按零分计。

2．说明书正文

2.1前言

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，计算机知识和应用技能已成为人类知识经济的重要组成部分。

目前高校中许多专业，例如电子、机械、计算机等都开有计算机课程，但高校中的计算机基础教学课程如何有别于计算机专业课程，体现分层、分类的特点，突出不同专业对计算机应用需求的差异性和多样性，已成为高校计算机基础教学改革的重要内容。

微机原理与接口技术课程设计能够在教材整体框架设计上强调针对不同专业群体，体现不同专业类别的需求，突出计算机基础教学的应用性。

同时，充分考虑不同层次学校、不同专业在人才培养上的差异，针对各门课程设计了面向不同对象的教材。

除主要教材外，还配有必要的实验教材。

微机原理和接口技术是计算机和电子等专业重要的基础专业课程之一，不但要求有较高的理论水平，而且还要求有实际的动手能力。

 本课程设计的主要目的是提高实践能力，包括提高汇编等语言的编程能力及对接口等硬件的理解分析能力和设计接口电路的能力，从而学以致用。

多年的课程教学和实验教学的实践证明，只有通过实际编程和微机及接口的硬件实践，才能真正掌握软硬件设计的方法，从中得到收益和提高。

 在实验类别上，本书尝试了新的分类方法。

本书将实验划分为三种类型。

汇编程序设计部分是在学习所有微机原理和接口技术课程时必须掌握的，微机内部标准接口设计提供了已集成在微机内部的标准接口的编程和应用。

这两部分在所有的微机上都很容易实现，不用再添加硬件，因此便于在所有的学校实施。

第三部分是基于实验平台的接口实验，提供了常见的接口课程设计。

对于接口电路，只有多做实验才能真正达到灵活应用的目的。

课程设计是培养学生综合应用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，有助于学生更好的理解与应用所学知识，将理论与实践结合在一起，培养学生动手能力、创新能力及团队协作能力，为学生将来走出校门，踏入社会，从事具体工作打下一定得基础。

2.2现状

当前，新技术正在突飞猛进地发展。

微型计算机以它独恃的价格和作用无孔不入地深入各个领域,它已成为衡量一个国家现代科学技术发展的重要标志。

微型计算机不但在工农业生产方面有重要的应用，在科研设备中也有比较普遍的应用，而且在办公自动化以及家庭生活中也已逐渐得到推广和应用。

在机械控制中，随着自动控制技术与计算机科学技术的快速发展，制造业领域已大量采用计算机技术来进行自动控制，应用微机可以大大提高产品精度、稳定产品质量和提高生产效率，这对于推进科学技术现代比,提高经济效益有着重大意义。

直流电机问世已有一百四十多年的历史。

在设计和制造技术上有很大进步,新材料、新技术的应用以及整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的不断扩大,品种的日益繁多。

从小至数瓦,大到万余千瓦,广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。

从直流电动机的演变历史,也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期,直流电动机的电源主要是采用M-G电动发电机组,六十年代初,电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替,到六十年代后期,由于可控硅整流装置的出现,并得到迅速发展,可控硅整流电源已占统治地位。

由于直流电源供电方式的不断更新换代,特别是在最近的十几年期问,进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高,目前朝着高速、大功率方向发展。

另外,由于绝缘技术和分析技术的进步,直流电动机已迅速向小型轻量,低惯量方面发展。

直流调速系统国内外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。

从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管（SCR）发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路（PIC）。

每一代的电力电子元件也未停顿,多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争,新的应用不断出现。

同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。

早期直流传动的控制器由模拟分器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。

20世纪70年代以来,利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。

在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心,主要用来完成一些算法,同时还要处理一些输入/输出、显示任务等,单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。

微机,出现于20世纪70年代,随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。

此外,电力电子的发展,使得大功率电子器件的性能迅速提高。

因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机,完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充分的发挥,使电机的性能更符合使用要求,还可以制造出各种便于控制的新型电机,使电机出现新的面貌。

比较简单的电机微机控制,只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。

在各种机床设备及生产流水线中,现在已普遍采用带微机的可编程控制器,按一定的规律控制各类电机的动作。

对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。

通过微机控制,可使电机的性能有很大的提高。

传统的直流电机和交流电机各有优缺点,直流电机调速性能好,但带有机械换向器,有机械磨损及换向火花等问题。

交流电机,不论是异步电机还是同步电机,结构都比直流电机简单,工作也比直流电机可靠,但在频率恒定的电网上运行时,它们的速度不能方便而经济地调节。

电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方法之一。

从80年代中后期起,世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置,当流调速已发展到一个很高的技术水平:

功率元件采用可控硅;控制板采用表面安装技术;控制方式采用电源换相、相位控制。

特别是采用了微机及其他先进技术,使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力,在国内外得到广泛的应用。

数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。

数字化直流调速系统不断推出,为工程应用提供了优越的条件。

采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。

直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,调速范围广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。

由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。

直流电机具有良好而机械特性和调速特性，而且有结构简单、维护方便、运行可靠、寿命长等优点，在国民经济各领域应用日益广泛。

因此，采用计算机技术来控制直流电机，具有重要意义。

2.3任务分析与方案设计

1）任务分析

本次课程设计要求实现对直流电机正反转控制及调速控制，包括软件部分和硬件部分。

硬件部分主要要求设计并焊接电路板，软件部分要求编写程序通过Dais试验台实现对电机的控制。

要求程序有如下功能：

（1）控制电机正反转

（2）控制电机转速变化。

组内任务分工：

硬件部分（两人）——软件部分（两人）——

2）方案设计

直流电机转速n的表达式为：

式中：

U—电枢电压

I—电枢电流

R—电枢回路总电路

--每极磁通量

由此可知，直流电机的转速调节方法可分为两类：

调节励磁磁通的励磁控制方法和调电枢电压的电枢控制方法。

由于励磁控制方法在高速和低速是都受到限制，动态响应较差，所以这种方法用得很少。

现在，大多数场合都是电枢控制方法。

绝大多数直流电机采用开关驱动方式。

开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电机电枢电压，从而实现减速。

在PWM调速时，占空比a是一个很重要的参数。

以下三种方法都可以改变占空比的值：

（1）定宽调速法

（2）调频调宽法（3）定频调宽法

前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当输入脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用得很少。

目前，在直流电机的控制中，主要使用定频调宽法。

硬件部分：

（1）PWM信号通道

微机输出的PWM信号经过插座P1、R1进入U1A同相放大电路，U1A输出同相位的PWM信号分别经过R11、R16同时进入Q1、Q2的集电极。

只有当正反转控制信号高电平经U1B、U1C电压比较器输出高电平触发Q1、Q6或Q2、Q4导通时，PWM控制信号才能开关Q2、Q5，驱使直流电机产生正反转运行。

运用微机控制技术，就能非常方便地调整脉冲的占空比，从而实现直流电机的调速。

（2）正反转信号控制

当需要直流电机正转时，微机输出高电平经P2的1脚输入反相器U2A输入端，U2A输出端与反相器U2B的输入端相连，U2B的输出端经电阻R7输入U1B的同相输入端。

U1B为电压比较器，其反相器输入端接着R8、R9的分压电阻组成2.5V的门槛电压。

当输入电压小于2.5V时，U1B7脚输出低电平；当输入电压大于2.5V时，输出高电平触发Q1、Q6导通，使直流电机产生正转。

同理，直流电机的反转控制由U2A和U1C组成。

由于直流电机正反转控制不能同时存在，所以当U1B为高电时，U1C只能是低电平。

他们之间靠U2A、U2B互锁。

软件部分:

程序要实现的功能有：

（1）控制电机正反转切换

（2）控制电机转速变化

由硬件分析可知：

只需改变直流电机两端电压方向即可改变电机转向，接口电路中正反转切换控制模块可实现该功能，程序只需完成向正反转控制信号输入口循环输出高低电平（0或1）即可，因此可用8255A与CPU通信，CPU执行程序向8255A的PA口以一定时间间隔循环输出01H和00H，8255A的PA0与正反转控制信号输入口直接连接，这样便能控制电机正反转。

要控制电机转速变化，就需改变电机电枢电压。

可通过DAC0832来实现，CPU想0832输出数字量，经0832转换为模拟量输出，执行延时程序控制占空比，以达到控制电机转速的目的。

DAC0832的Aout与直流电机接口电路的PWM信号输入口相连接。

2.4系统设计与开发

1）、接口电路设计

图1微机8086最小模式系统配置

图2直流电机正反转控制电路原理图

2）、软件设计开发

程序流程图：

图3程序流程图

2.5元器件清单及参数选择

元器件

型号

价格/元

稳压器

L7805CV

0.5

集成芯片

LM324N

0.38

三极管

C2655

0.06

电阻

12KΩ

0.01

电阻

1KΩ

0.01

电阻

10KΩ

0.02

二极管

IN4007

0.02

集成芯片

TC4069UBP

1

2.6电路调试

1）硬件调试

（1）电路板焊接完成后，给电路板连接上直流电动机，P1接PWM信号的输入，P2接正反转控制信号的输入，电源接5V的直流电压。

（2）通电。

若电动机转动，说明硬件调试成功。

若电动机未能转动，则说明电路板在焊接上可能出现虚焊，或者某些元器件没有焊牢等等问题。

这时需要用万用表对每个元器件间进行检测，找出虚焊点，再调试。

（3）调节占空比，改变电动机电枢电压，若电动机转速发生变化，则说明电动机转速调节成功。

（4）开始电动机通高电平电机正转，再通低电平，若电动机转向发生变化，则说明电动机正反转调试成功。

2）软硬件联调

硬件调试通过后进行软硬件联调，步骤如下：

（1）按照8086最小系统配置图将138译码器和DAC0832相关信号引脚连接起来（如片选信号、读写控制线号、地址线、数据线等），将8255A输出口的PA0与直流电机接口电路PCB板中控制电机正反转的信号入口连接在一起，将DAC0832模块的Aout和直流电机接口电路PCB板中PWM信号入口连接在一起，仔细检查确保无误。

（2）连接号电路后，打开Dais试验台电源，启动电脑，打开相关软件，键入程序，进行编译调试，调试通过后装载然后运行。

（3）观察电机运行状况是否符合要求，满足要求则调试通过，如未能达到要求，检查并修改程序，重新调试直至达到要求。

初始化8255，按照步进电机驱动方式驱动电机

↓

摸索每一步进间的延时长短，使得电机可以正常工作

↓

改变延时

↓

摸索延时间隔，使得电机工作最好

↓

调试加入硬件调试后控制是否可靠

↓

反复检验验证，保证程序的可靠性，是否存在错误

图4程序流程图

3.心得体会

此次课程设计总体来说比较匆忙，原本应该是短学期完成的任务，由于课程的改动被安排到现在来进行，都是利用假期和双休日上课的。

在这一个月时间里碰到过许多问题，但是我们确实学到了很多东西，不仅巩固了以前学到的知识，而且还学到了很多书上所没有的东西。

通过这次课程设计，我认识到了以前的错误认识，我的任务主要是负责直流电机控制的硬件及硬件调试部分，虽然是做硬件，但还是要了解一下软件控制的原理。

直流电机的硬件就是利用0832D/A转换电路的输出经放大后驱动直流电机。

编制程序改变0832输出经放大后方波信号的占空比来控制电机转速.编制程序改变8255输出的高低电频来改变直流电机的正转和反转。

利用软件画电路图的时候，由于对软件和电路图原理的不熟悉，使得画图的进展很慢，再加上老师给的电路图还有一部分需要做修改，在框架搭完之后就停滞不前了，后来经过查找资料进一步的去完善。

焊接电路之初是相当顺利的，把所有元器件都焊完之后，经过检查发现稳压器的方向弄反了，又把稳压器重新焊，这花费了很多时间，通过这点让我认识到在焊接之前一定要先搞清楚每个元件的位置和方向，这样才能避免不必要的麻烦。

电路弄好之后再拿到老师那边调试，调试进行的相当顺利，一次就通过了。

接下来就是电机和实验仪的连接和软件的编写，这一阶段是整个设计过程中遇到困难最大的，整整一天的天时间毫无收获。

后来经过反复推敲终于把软件编译出来了，但是只能实现电机的变速却不能实现反转，试验再一次陷入困境。

经过老师讲解之后发现是实验仪上的电压太小没有达到要求，实验仪上的连线也没有连接好。

调整完这些所有的缺陷之后，电机终于如愿的实现了正反转和调速。

通过本次微机的课程设计，使我懂得了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能达到目的。

另外，细心也是极其重要的，做这个设计不能有一点闪失，必须一步到位，不然就会花费相当长的时间去检查错误，这次设计提高了我的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到的问题，可以说是困难重重，毕竟是第一次做课程设计，难免会碰到这样那样的问题，同时在设计过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识理解还不够深刻，掌握的不够牢固。

这次的课程设计使我再一次的认识到，要真正地掌握一门知识，单单的学习课本是远远不够的，只有将课本内容与老师讲解付之于行动，通过实践来检验，才能确实了解到自己掌握了多少，然后查漏补缺，做到完全吸收。

就比如我来说，我在这次的课程设计中，主要是负责软件这一方面。

但因为很多东西忘了，致使在理解工作原理时产生困难，只能再去看微机原理，也有助于我们真正好好掌握微机原理这门课程。

这次的课程设计是分4人小组完成的，需要成员之间的互相合作。

我们之间虽有分工但我这次做的还是较少的，所以还是有些遗憾。

总之，这次课程设计使我获益匪浅，不但增大了我们对微机原理和电子电路的学习热情，更使我们对未来的学习和就业充满了信心！

4.参考文献

1、李国栋,汪新中,陆志平等 .微机原理与接口技术课程设计.杭州:

浙江大学出版社,2007

2、周佩玲主编，微机原理与接口技术（基于16位机），北京：

电子工业出版社，2004

3、吴秀清主编，微型计算机原理与接口技术，北京：

清华大学出版社，2003

4、沈美明等编，IBM-PC汇编语言程序设计，北京：

清华大学出版社，2002

5、张伟等编，ProtelDXP入门与提高，人民邮电出版社，2003.2

6、李继灿著，新编16/32位微型计算机原理及应用（第3版），北京：

清华大学出版社，2004

7、李继灿著，微型计算机原理与接口技术题解及实验指导，北京：

清华大学出版社，2003

8、康华光等著，电子技术基础-数字部分（第四版），高等教育出版社2000,6

9、高吉祥等著，电子技术基础-实验与课程设计，电子工业出版社2002,2

10、甘登岱主编，ProtelDXP电路设计与制版实用教程，人民邮电出版社2004,7

11、钱培怡著，电子电路实验与课程设计，地震出版社2002,6

5.附录参考源程序

CODESEGMENT

ASSUMECS:

CODE,DS:

CODE,ES:

CODE;定义代码段

;================================

DAPORTEQU0FFE0h

ZXKEQU0FFDCH

ZWKEQU0FFDDH;定义端口的符号地址

PAEQU0FFD8H

PDEQU0FFDBH

;================================

ORG3670H

START:

MOVBUF,00H;给数据段赋值，用于显示

MOVBUF+1,08H

MOVBUF+2,03H

MOVBUF+3,02H

P5:

MOVAL,88H;设置8255A方式字一个数码管的显示，七个接口的显示

MOVDX,PD

OUTDX,AL

MOVAL,01H;向端口送数据，控制电机向某一方向转动（快速转动）

MOVDX,PA

OUTDX,ALAL的地址赋给DX

MOVAL,01H

CALLJDAS显示数码管

MOVCX,200HCX计数，200H赋给CX计数寄存器

AA1:

MOVAL,00H停止

PUSHCX进栈保存CX的值

CALLJDAL

POPCX出栈还原CX的值，下同

MOVAL,80H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

LOOPAA1循环

CALLAA0停止时数码管显示的状态

MOVAL,02H慢速开始

CALLJDAS显示屏显示慢速的状态

MOVCX,200H重新计数赋值

AA2:

MOVAL,00H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

MOVAL,80H

PUSHCX

CALLJDAL1

POPCX

LOOPAA2

CALLAA0

MOVAL,88H;设置8255A方式字

MOVDX,PD

OUTDX,AL

MOVAL,00H;向端口送数据，控制电机向反方向转动

MOVDX,PA

OUTDX,AL

MOVAL,11H

CALLJDAS

MOVCX,200H

AA3:

MOVAL,00H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

MOVAL,80H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

LOOPAA3

CALLAA0

MOVAL,12H

CALLJDAS

MOVCX,200H

AA4:

MOVAL,00H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

MOVAL,80H

PUSHCX

CALLJDAL1

POPCX

LOOPAA4

CALLAA0

JMPP5

AA0:

MOVAL,00H

CALLJDAS

MOVCX,0200H

AA01:

MOVAL,80H

PUSHCX

CALLJDAL

POPCX

LOOPAA01

RET

;===========================

JDAL:

MOVDX,DAPORT;向0832端口送数据，转换为模拟量控制转速

OUTDX,AL

MOVCX,0100H

LOOP$

RET

;===========================

JDAL1:

MOVDX,DAPORT;向0832端口送数据，转换为模拟量控制转速

OUTDX,AL

MOVCX,0800H

LOOP$

RET

;============================

JDAS:

MOVA