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1、第一章微机应用系统课程设计的目的意义1.1 课程在教学计划中的地位和作用微机应用系统设计与综合实验课程是测控技术专业本科生必修的一门技术基础课程。本课程设计任务是继微型计算机原理与接口技术这门课程后的一个实践环节。是在学生基本学完该课程时的一次集中式的综合设计,它对于学生深刻理解微机原理和接口技术起着重要的作用。在微型计算机原理与接口技术这门课程联系较多的是数字逻辑与计数、译码、信号缓冲、锁存、总线驱动扩展等内容，且着重应用微机系统的组成、时序、中断、接口技术与汇编语言程序设计。而通过该课程设计的学习使学生对微机系统有一个全面的了解、掌握常规芯片的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计
2、方法。1.2 设计任务的目的与意义充分认识理论知识对应用技术的指导性作用,进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过设计实践能够进一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解,使自己的设计水平和对所学的知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面提高。通过课程设计进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。计算机科学在应用上得到飞速发展，因此，学习这方面的知识必须紧密联系实际：掌握这方面的知识更要强调解决实际问题的能力。同学们要着重学会面对一个实际问题，如何去自己收集资料，如何自己去学习新的知识，如何自己去制定解决问题的方案并通过实践不断地去分析和解决前进道路上的一切问题，最
3、终到达胜利的彼岸。本设计的目的在于全面消化已学的相关课程内容。深刻理解微机原理与接口技术课程的内涵。为此,主要应完成的任务是:从硬件的角度掌握微机的组成,接口部件的结构和彼此之间的联系,从软件的角度理解和应用微机系统的运行机制。第二章家用风扇控制器的设计任务2.1 家用风扇控制器设计要求1.设计内容设计一个家用风扇控制器。控制器面板为：按钮三个，分别为风速、类型和停止，LED指示灯六个，指示风速强、中、弱，类型为睡眠、自然和正常。电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮，只有按下“风速”键时，才会响应，进入起始工作状态；电扇在任何状态，只要按停止键，则进入停转状态。电扇处于工作状态时，有：(1) 初
4、始状态为：风速-“弱”，类型-“正常”；(2) 按“风速”键，其状态由“弱”“中”“强” “弱” 往复循环改变，每按一下按键改变一次；(3) 按“类型”键，其状态由“正常”“睡眠”“自然”“正常” 往复循环改变；风扇风速的弱、中、强对应于电扇的转动由慢到快。风扇类型的不同选择，分别为：(1) 正常电扇连续运转；(2) 自然电扇模拟自然风，即转4s，停8s；(3) 睡眠电扇慢转，产生轻柔的微风，运转 8s，停转8s；按照风速与类型的设置输出相应的控制信号。2.设计要求设计出电路原理图，说明工作原理，编写程序及程序流程图。并能在实验平台上进行运行模拟，能实现任务的功能要求的。2.2 课题任务的认识
5、本次课程设计任务主要模拟家用风扇的各种功能，设计一种控制器能实现对各种功能的控制，在风扇任意时刻运行时都对其实现各种功能的切换，充分体现其的可控制性。在基本的弱电环境下的各种芯片实现对强电的控制的一种典型实例。利用汇编语言与硬件结合，在各种基本的接口芯片实时通信，接收对应的按键信号，再基于硬件的基础用汇编语言实现各种逻辑关系转换而输出相应的控制信号从而实现各种功能的控制与转换。2.3 总体设计思想本次课程设计任务主要基于8086以及各种接口芯片结合汇编语言实现对家用风扇的控制器的模拟。我主要运用8086CPU结合汇编语言编写的软件来实现各种信号的处理与变换，以得到想要的控制信号，并用接口芯片8
6、255A实现信号的输出与接收。在模拟中通过开关来实现各种控制信号的输入，再通过8255的端口进行读取，再由8086通过软件的对采入的信号进行辨别进而转入到相应的功能子程序中以实现各种功能。在各种功能的背后，通过8086驱动相应功能的硬件设备实现各种功能的切换。具体设计设计，我想采用8255A来接收开关信号，驱动风扇的转动信号输出，并接收8253产生的控制信号。8253主要来实现各种风种的控制信号，以得到自然、睡眠的类型风。硬件设计框图如图2-1所示。2.4 功能扩展此任务控制器已基本实现所有风扇控制功能，而现在几乎所有的风扇都能实现定时功能，故可以扩展定时功能在控制器的设计中以达到全面的控制。
7、在风扇控制的停止后，后续状态任务上未作要求，我在对其在设计上，能在停止后处在等待状态，当且仅当有风速键按下后，控制器可恢复继续控制风扇的运行，实现控制器的循环控制。 8086CPU82538255A风扇驱动信号读取控制控制信号按键开关图 2-1 硬件设计框图第三章 预备知识3.1 风扇速度控制方法脉宽调制法(PWM) 脉冲宽度调制法(PWM)是将风扇电源的开关频率设为固定值，通过改变其占空比来调节风扇速度的方法。占空比越大，风扇速度越快。这种控制方式的关键在于选择合适的开关频率，如果频率太低,风扇速度将会随PWM周期而振荡。相反,如果频率过高，风扇内部的换向整流电路会断开风扇加速/减速电路的电
8、源而导致风扇停转。一般的频率范围是20Hz160Hz。另外,PWM的上升和下降时间要足够慢,以保证风扇的长期稳定。PWM控制方式的优点是驱动电路简单,有很好的启动特性,晶体管热量耗散小等。缺点是增加了风扇的应力,不便使用速度报警传感器,而速度报警传感器与电机使用同一电源供电,如电机电源以20Hz160Hz频率接通或断开,则传感器也会随之关断或开启,从而失去应有的检测功能。在PWM控制方法中,风扇的电压为额定值(例如12V风扇中的12V电源)或零电压,但由于风扇没有满负荷运转,因而它的反向电动势就会减少,这将导致PWM导通期间的电流可能会大于正常值。虽然风扇的设计使共能够处理较大的电池,但在风扇
9、启动阶段,电流将每秒增加30倍,这将对风扇的可靠性产生很大影响。尽管如此,PWM仍然是低成本应用的理想选择。3.2 步进电机的控制原理1.步进电机的速度控制及运动规划步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得更为广泛的
10、应用。2. 步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图3-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图 3-1步进电机开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿 之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依
11、次类 推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3-2中a、b、c所示。a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图3-2 步进电机工作时序波形图3.步进电机的速度特性步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的
12、情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度（等于或稍大于启动速度）。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动加速高速运行（匀速）减速停止”五个阶段，速度特性通
13、常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如图3-3所示。图3-3 步进电机的速度曲线3.3 所用到的芯片及其各自功能说明这个任务主要是实现开关信号的处理以及对相应功能信号的输出控制，软件编程稍微占主要的设计部分，故而芯片用的较少。芯片合部分硬件设备如下表3-1所示。表 3-1 芯片和部分硬件设备列表型号或名称数量Intel 80861片8255A1片82531片步进电机1个开关4个步进电机驱动电路1套3.3.1 8086功能简介1. 概述Intel 8086是一个由Intel于1978年所设计的16位微处理器芯片，是x86架构的鼻祖。8086 CPU有20条地址线，可直接寻址1MB的存
14、储空间，每一个存储单元可以存放一个字节（8位）二进制信息。为了便于对存储器进行存取操作，每一个存储单元都有一个惟一的地址与之对应，其地址范围用十进制表示为01048575，用十六进制表示为00000HFFFFFH。Intel 8086拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器(包含了堆栈指标)。资料寄存器通常由指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K 8 位元的输出输入(或32K 16 位单元)，以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个。 Intel
15、8086有四个内存区段(segment) 寄存器，可以从索引寄存器来设定。区段寄存器可以让 CPU 利用特殊的方式存取1 MB内存。8086 把段地址左移 4 位然后把它加上偏移地址。大部分的人都认为这是一个很不好的设计，因为这样的结果是会让各分段有重叠。尽管这样对组合语言而言大部分被接受(也甚至有用)，可以完全地控制分段，使在编程中使用指针 (如C 编程语言) 变得困难。它导致指针的高效率表示变得困难，且有可能产生两个指向同一个地方的指针拥有不同的地址。更坏的是，这种方式产生要让内存扩充到大于 1 MB 的困难。而 8086 的寻址方式改变让内存扩充较有效率。 8086处理器的时钟频率介于4.77MHz(在原先的IBM PC)和10 MHz之间。 8086 没有包含浮点指令部分（FPU），但是可以通过外接数学辅助处理器来增强浮点计算能力。8086CPU有一组强有力的指令系统，内部有硬件乘除指令及串处理指令，可对多种数据类型进行处理。8086CPU与8位CPU8080向上兼容。处理能力比8080高十倍以上，而相同任务程序代码长度可缩短20%。8086CPU可与8087协处理器及8089输
