武汉理工大学《微机原理与接口技术》课程设计说明书
学号:8
课程设计
题目步进电机
学院自动化学院
专业自动化
班级自动化0902班
姓名
指导教师徐小强
2012
年
1
月
12
日
武汉理工大学《微机原理与接口技术》课程设计说明书
1
课程设计任务书
学生姓名:专业班级:自动化0902
指导教师:徐小强工作单位:自动化学院
题目:步进电机
初始条件:
用汇编语言设计一个步进电机的控制,在Proteus仿真环境下完成,功能上实现步进
电机的基本功能。
要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1.通过键盘控制步进电机的启动和停止,正转和反转;
2.编制完整的程序并调试;
3.撰写符合学校要求的课程设计说明书,内容包动宾搭配不当 括:摘要、目录、正文、参考文献、附
录(程序清单)。正文部分包括:设计任务及要求、方案比较及论证、软件设计说明(软
件思想,流程,源程序设计及说明等)、程序调试说明和结果分析、课程设计收获及心得
体会。
时间安排:
1.1月04日----1月05日查阅资料及方案设计
2.1月06日----1月08日编程
3.1月09日----1月10日调试程序
4.1月11日----1月12日撰写课程设计报告
5.1月13日上午准备答辩,下午正式答辩
指导教师签名:年月日
系主任(或责任教师)签名:年月日
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摘要
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。其种类比较多,分
为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永
磁感应子式3种形式。它主要用于数字控制系统中,精度高,且运行可靠。步进电动机
目前已广泛地应用于数字控制系统中,如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自
动记录仪、钟表等之中,另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。因此可知,
步进电机在现代控制领域中起着非常重要的作用。
本次设计中,要求使用8086CPU作为主控制器,通过与外部接口芯片的配合工作,以
实现控制步进电机的启动、停止、正转、反转等功能。设计要求为,通过编写正确的汇编
程序,并使用仿真软件PROTEUS进行该控制系统的仿真。
关键字:步进电机控制PROTEUS仿真汇编程序
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目录
1设计基础分析..............................................................................................................................4
1.1步进电机...........................................................................................................................4
5
1.3设计方案...........................................................................................................................5
2接口芯片及电路连接..................................................................................................................6
2.18086CPU周边配置...........................................................................................................6
2.28284A时钟驱动电路........................................................................................................7
2.374LS373锁存器电路........................................................................................................8
2.474LS138译码电路............................................................................................................9
2.58255A并行接口电路......................................................................................................11
2.6四独立键盘接线图.........................................................................................................13
2.7ULN2003电机驱动电路.................................................................................................14
2.8步进电机接线图.............................................................................................................15
3软件方案.....................................浏阳市市长 ...............................................................................................16
3.1软件设计原理分析.........................................................................................................16
3.2代表性程序段及其分析..............................................................法务专员 ...................................17
3.3软件设计流程图.............................................................................................................18
4仿真结果....................................................................................................................................19
心得体会.......................................................................................................................................20
参考文献.......................................................................................................................................21
附录一:步进电机仿真总电路图...............................................................................................22
附录二:系统程序.......................................................................................................................23
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步进电机
1设计基础分析
1.1步进电机
步进电机(steppingmotor)是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受
负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存
在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
它主要用于数字控制系统中,精度高,运行可靠。如采用位置检测和速度反馈,亦可
实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中,如数模转换装置、数控机床、
计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中,另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦
有应用。因此可知,步进电机在现代控制领域中起着非常重要的作用。
步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。磁电式步进电动机主要有
永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动
机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合,并兼有两者的优点。
这里着重介绍永磁感应子式步进电动机。
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软
磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此
该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻
尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某
种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。
(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行
(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.小功率电机一般直接接为
二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接
线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联
或并联使用。感应子式步进电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电
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机等。
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统。不同的场合采取
不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压
驱动、恒流、细分数等。
1.28086CPU
Intel8086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。Intel8086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64K8位元的输出输入(或32K16位元),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。
Intel8086有四个内存区段(gment)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1MB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1MB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IBMPC)和10MHz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。
1.3设计方案
本次课程设计中,按要求,我们采用8086CPU作为主控制器,加上其对应的接口芯片
并连接电路,通过电机驱动器驱动步进电机运行并在仿真软件proteus中进行仿真实验。
系统框图如下所示。
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图1-1系统框图
2接口芯片及电路连接
由于8086CPU它只是一个拥有控制和计算能力的主控芯片,而并不像如8位51单片机、
16位MSP430单片机等MCU一样可以单独作为一片“单芯片微型计算机”,可以直接接上外
设工作。因此,需要在8086的周边接上相应的接口芯片,才能使系统有可以工作的基础。
以下,便介绍8086周边配置及其接口电路。
2.18086CPU周边配置
8086作为一款CPU,也是有很强的工作能力的,但是需要对其本身进行配置,他才有
可能按我们的意愿进行工作。
图2-1为8086CPU配置电路。
图中:21号引脚通过轻触开关接VCC,当按下次轻触开关的时候,系统程序将回到起
始点,系统重新开始工作;
22号READY引脚接高,说明外部准备好,CPU可进行相应的操作,这样可以让
CPU一直工作;
17号引脚接高是为了屏蔽不可屏蔽外部中断,本系统它将不可用;
33号引脚接高表示该系统中8086工作于最小模式。
Intel
8086CPU
8255A
并行
接口
步进电机及
其驱动模块
键盘控制
模块
译
码
器
时
钟
及
外
部
配
置
数据地址总线
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图2-18086CPU配置电路
2.28284A时钟驱动电路
8086内部没有时钟系统,故需要外部时钟驱动系统来给CPU提供时钟信号。
本系统中我们采用8284A时钟驱动芯片外加5MHz晶振的电路连接产生时钟信号。其
电路连接图如图2-2所示。
图2-28284A时钟驱动电路
在Proteus仿真仿真软件中,由于没找到D8284时钟驱动芯片,故用信号源代替
该驱动电路,产生波形如下:
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图2-3Proteus仿真CLK波形
2.374LS373锁存器电路
74LS373为三态输出的八D透明锁存器。
373的输出端O0~O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时,O0~O7
为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时,O0~O7呈高阻态,即不驱
动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高
电平时,O随数据D而变。当LE为低电平时,O被锁存在已建立的数据电平。
其真值表如下:
表2-1
DnLEOEOn
HHLH
LHLL
XLLQ0
XXH高阻态
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其具体电路连接图如下图所示。
图2-474LS373电路连接图
2.474LS138译码电路
74LS138为3线-8线译码器。
其工作原理如下:
①当一个选通端(E1)为高电平,另两个选通端((/E2))和/(E3))为低电平时,可
将地址端(A0、A1、A2)的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如:
A2A1A0=110时,则Y6输出端输出低电平信号。
②利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器;若外接一个反相器还可级联扩展成
32线译码器。
③若将选通端中的一个作为数据输入端时,74LS138还可作数据分配器。
④可用在8086的译码电路中,扩展内存。
其真值表如下:
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表2-2
输入输出
S1S2+S3CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7
0XXXX11111111
X1XXX11111111
1
1
1
1
1
1
1
1
在本系统中,74LS138用作地址译码器,其电路连接如下图所示。
图2-574LS138译码电路
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2.58255A并行接口电路
8255AIntel8086/8088系列的可编程外设接口电路(ProgrammablePeripheral
Interface)简称PPI,型号为8255(改进型为8255A及8255A-5),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吉春亚 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.
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/O口:A组包括A口及C口高4位,
B组包括B口及C组的低4位。A口可以设置为方式0、方式1、方式2,B口与C口只能
设置为方式0或方式1.
其方式控制字应按如下方式设置:
这是一个8位的控制字,代表的信息也很丰富。格式如下:
D7D6D5D4D3D2D1D0
1A组控制B组控制
D7=1,为该控制字的标志。
A组由D6、D5、D4、D3组成。其中D6、D5为工作方式选择;D4为A口的输入/输出
选择;D3为C口高四位输入/输出选择。如下所示:
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表2-3
D6D5A口工作方式
00方式0
01方式1
1X方式2
表2-4
D4输入/输出选择
0A口为输出
1A口为输入
表2-5
D3输入/输出选择
0C口高四位为输出
1C口高四位为输入
B组有由D2、D1、D0组成。其中D2为工作方式选择;D1为输入/输出选择;D0为C
口低四位输入/输出选择。如下所示:
表2-6
D2B口工作方式
0工作方式0
1工作方式1
表2-7
D1输入/输出选择
0B口为输出
1B口为输入
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表2-8
D0输入/输出选择
0C口低四位为输出
1C口低四位为输入
在本系统中,仅使用8255A的A口和B口,且设置A口为输出,B口为输入,故可选
择8255A的工作方式0。由此,其方式控制字可为:82H、83H、8AH或8BH。
8255A在系统中的连线图如下:
图2-68255A并行接口电路
2.6四独立键盘接线图
本系统中,只需要用到四个控制按钮,故可将这四个按钮接成四独立键盘的形式,这
样也满足设计要求。
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该键盘接线图如下所示:
图2-7四独立键盘接线图
如上图所示,当四个按钮都未被按下时,键盘默认输入状态都为高电平。当其中有
任意键被按下是,相应被按下的那路状态将由高电平跳变为低电平。控制器通过对该独立
键盘状态的扫描可以判断出相应的控制信号。其中四个LED指示当前电机运行状态,即停
止、启动、正转、反转四种运行状态。
2.7ULN2003电机驱动电路
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅NPN复合晶体管组成。它的每
一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路
直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高,
工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负
载电流并行运行。
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电
路中。可直接驱动继电器等负载。
其内部结构和引脚图如下:
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图2-8ULN2003内部结构和引脚图
在Proteus仿真软件中,该芯片电路连接图如下图所示。
图2-9ULN2003仿真连线图
2.8步进电机接线图
在Proteus仿真软件中,我们使用六线制步进电机来进行仿真,其与驱动器ULN2003
的总接线图如下:
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图2-10步进电机及其驱动模块
3软件方案
3.1软件设计原理分析
由上面的分步设计可得到系统的总设计图(见附件一)。
由总电路图可知,该8255A的地址为:
表3-1
A口地址8000H
B口地址8100H
C口地址8200H
控制口地址8300H
步进电机分为A、B、C、D四相,因此,该步进电机控制脉冲如下:
表3-2
电机运行状态控制脉冲
单拍正转A→B→C→D→A
单拍反转D→C→B→A→D
双拍正转AB→BC→CD→DA→AB
双拍反转DC→CB→BA→AD→DC
单双拍正转A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A
单双拍反转D→DC→C→CB→B→BA→A→AD→D
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其相应的控制字如下表所示:
表3-3
电机运行状态控制字
单拍正转01H→02H→04H→08H→01H
单拍反转08H→04H→02H→01H→08H
双拍正转0CH→06H→03H→09H→0CH
双拍反转09H→03H→06H→0CH→09H
单双拍正转01H→0CH→02H→06H→04H→03H→08H→09H→01H
单双拍反转08H→09H→04H→0女士用英语怎么说 3H→02H→06H→01H→0CH→08H
本次设计中采用其中四相八拍的控制方式,及上面表中的单双拍正反转控制,程序中
加上设计的状态指示灯后控制字如下(PA口高四位为状态位):
表3-4
单双拍正转41H→4CH→42H→46H→44H→43H→48H→49H→41H
单双拍反转88H→89H→84H→83H→82H→86H→81H→8CH→88H
启动11H→1CH→12H→16H→14H→13H→18H→19H→11H
停止20H→20H→20H→20H→20H→20H→20H→20H→20H
3.2代表性程序段及其分析
选取程序段及其注解如下:
MOTOR3:MOVCX,08H;设置循环次数
LEADI,STOP;去输出数组首地址
IOLED3:MOVAL,[DI]
MOVDX,A_PORT
OUTDX,AL;A口输出
MOVDX,B_PORT
INAL,DX;B口输入
TESTAL,08H;反转键是否按下?
JEMOTOR2;是则跳转
TESTAL,04H;正转键是否按下?
JEMOTOR1;是则跳转
TESTAL,01H;启动键是否按下?
JEMOTOR4;是则跳转
INCDI;都不是,执行地址+1指令
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CALLDELAY;延时
LOOPIOLED3;数组内循环
JMPMOTOR3;跳至数组开始地址
3.3软件设计流程图
根据软硬件分析,可以得到软件设计流程图如下:
图3-1软件设计流程图
程序初始化
开始
读取键盘状态
是否有按键被按下?
N
Y
启动键被按下?
停止键被按下?
正转键被按下?
反转键被按下?
N
N
N
开始转动
停止转动
正转一步
反转一步
Y
Y
Y
Y/N
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4仿真结果
在仿真软件PROTEUS中,为8086C最后的挽留 PU装在编译完成的.EXE文件,并开始仿真,可得到
如下结果:
图4-1所有按钮都未按下或仅停止按钮按下时电机运行状态仿真结果
图4-2正转按钮按下或反转按钮按下时电机运行状态仿真结果
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心得体会
历时一周的微机原理与接口技术课程设计终于结束了。在这短短的一周里,虽然时间
很短,但是我感觉自己收获颇丰。
首先,这次题目我选择的是步进电机的控制设计与仿真。步进电机是日常生活中常用
到的控制器件,虽然我时常听说,但是对它并不是很了解。不过,通过这次课设,当然也
是为了完成设计任务,我查阅了很多关于步进电机的资料,于是,我对步进电机的了解更
深了一个层次。
其次,在这次课程设计中,使用到了汇编语言进行编程,在以前的课设或实践中并未
使用过,感觉既新鲜又担心。刚开始自己接触汇编编程的时候,觉得那太难了,甚至有些
害怕编程。不过当我接触了一段时间编程之后,我开始对汇编程序有了更多的认识与理解。
于是,我慢慢的一句一句的编写,直到最后编出了我的第一个实践汇编程序,我真的高兴
之极,成功的喜悦溢于言表。
然后,这次课设还让我对8086CPU、8255A等芯片,有了更多的理解与记忆。本次设
计还用到了很多相关的软件,如PROTEUS、EMU8086、MASMFORWINDOWS等。由于自身和
其他一些外界因素,导致我在软件的选择与使用时出现了一些重大的失误。不过在同学和
指导老师的帮助下,最终问题得到了圆满的解决。
总而言之,这次课设我收获良多。我既学到了新知识、新方法,也懂得了更多一些值
得我学习与改正的东西。但是,这也说明我在进步。在以后的学习与生活中,我也会像现
在一样,认真学习、慢慢进步的!
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参考文献
[1]周佩玲,彭虎,傅忠谦编著.微机原理与接口技术.电子工业出版社,2005
[2]艾德才等编著.Pentium/80486实用汇编语言程序设计.清华大学出版社,2000
[3]吴秀清,周荷琴编著.微型计算机原理与接口技术(第二版).中国科学技术大学出
版社,2002
[4]顾辉,梁惺彦编著.微机原理与接口技术:基于8086和Proteus仿真.电子工业出
版社,2011
[5]贾志平主编,石冰副主编.计算机硬件技术教程——微机原理与接口技术.中国水利
水电出版社,1999
[6]徐爱钧主编.单片机原理与应用——基于Proteus虚拟仿真技术.机械工业出版社,
2010
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附录一:步进电机仿真总电路图
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附录二:系统程序
STACKSEGMENT
STADB100DUP(?)
TOPEQULENGTHSTA
STACKENDS
DATASEGMENT
STR1DB42H,46H,44H,4CH,48H,49H,41H,43H;正转
STR2DB83H,81H,89H,88H,8CH,84H,86H,82H;反转
STOPDB20H,20H,20H,20H,20H,20H,20H,20H;停止
STARDB13H,11H,19H,18H,1CH,14H,16H,12H;启动
DATAENDS
CODESEGMENT
ASSUMECS:CODE,SS:STACK,DS:DATA
IOCTRLEQU8300H
A_PORTEQU8000H
B_PORTEQU8100H
START:
MOVAX,DATA
MOVDS,AX
MOVAX,STACK
MOVSS,AX
MOVAX,TOP
MOVSP,AX;CPU初始化
MOVAL,82H;控制方式字:A输出、B输入
MOVDX,A_PORT
OUTDX,AL
NOP
MOTOR3:MOVCX,08H;设置循环次数
LEADI,STOP;去输出数组首地址
IOLED3:MOVAL,[DI]
MOVDX,A_PORT
OUTDX,行李箱轮子坏了怎么换 AL;A口输出
MOVDX,B_PORT
INAL,DX;B口输入
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TESTAL,08H;反转键是否按下?
JEMOTOR2;是则跳转
TESTAL,04H;正转键是否按下?
JEMOTOR1
TESTAL,01H;启动键是否按下?
JEMOTOR4
INCDI
CALLDELAY
LOOPIOLED3
JMPMOTOR3
MOTOR1:MOVCX,08H
LEADI,STR1
IOLED1:MOVAL,[DI]
MOVDX,A_PORT
OUTDX,AL
MOVDX,B_PORT
INAL,DX
TESTAL,08H
JEMOTOR2
TESTAL,02H
JEMOTOR3
TESTAL,01H
JEMOTOR4
INCDI
CALLDELAY
LOOPIOLED1
JMPMOTOR1
MOTOR2:MOVCX,08H
LEADI,STR2
IOLED2:MOVAL,[DI]
MOVDX,A_PORT
OUTDX,AL
MOVDX,B_PORT
INAL,DX
TESTAL,04H
JEMOTOR1
TESTAL,02H
JEMOTOR3
TESTAL,01H
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JEMOTOR4
INCDI
CALLDELAY
LOOPIOLED2
JMPMOTOR2
MOTOR4:MOVCX,08H
LEADI,STAR
IOLED4:MOVAL,[DI]
MOVDX,A_PORT
OUTDX,AL
MOVDX,B_PORT
INAL,DX
TESTAL,08H
JEMOTOR2
TESTAL,04H
JEMOTOR1
TESTAL,02H
JEMOTOR3
INCDI
CALLDELAY
LOOPIOLED4
JMPMOTOR4
DELAY:;延时
PUSHCX
MOVCX,0D1H
DELAY1:
NOP
NOP
NOP
NOP
LOOPDELAY1
POPCX
RET
CODEENDS
ENDSTART
武汉理工大学《微机原理与接口技术》课程设计说明书
26
本科生课程设计成绩评定表
姓名纪燕林性别男
专业、班级自动化0902班
课程设计题目:步进电机
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
评分项目分值评分
1.选题合理、目的明确10
2.设计方案正确,具有可行性、创新性20
3.设计结果:仿真与实验验证20
4.态度认真、学习刻苦、独立完成任务15
5.设计报告规范化、参考文献充分、无原则性错误10
6.答辩25
总分100
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
本文发布于:2023-03-25 18:15:43,感谢您对本站的认可!
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