2024年5月31日发(作者：)

计量泵流量控制系统设计

基于80C51的计量泵流量控制系统设计

【内容摘要】：步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移

的电机。本文将计量泵流量控制转换为对步进电机的控制。控制系统采用

AT89C52做主控单元，通过与AT89C2051的串口通信实现对步进电机的远程

控制，最终实现对泵流量控制。

【关键词】：单片机 控制 速度 步进电机 AT89C52 AT89C2051

步进电机是数控式电机，是工业控制及仪表中常用的控制元件之一，其最大

特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度有输入的脉冲数决

定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的

特征因此非常适合于单片机控制。

步进电机的工作原理：其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和

脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数

量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收

到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为

“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个

数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控

制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的

步进电机的特点：

1） 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2） 步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料

退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不

同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，

有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正

常。

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组

的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电

机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启

动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵

转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频

率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电

机转速从低速升到高速）。

计量泵的控制系统是由步进电机通过一对减速齿轮带动计量泵的转动丝杠

上下运动，从而达到控制流量的目的。因此，本系统的控制主要是通过向步进电

机发脉冲以控制步进电机的转数来实现。在本控制系统中，可以通过人工输入所

需要的流量值（通过丝杠的位置反应出来）来控制步进电机的脉冲数；也可以通

过外部流量传感器反馈回来的信号（标准4—20MA）经过A/D转换后以自动控

制方式来控制步进电机的脉冲数。当采用人工控制时，输入期望数据后，处理器

将输入的数据与当前数据相比较，得到相应的动作值，计算出相应的脉冲数发送

给步进电机，通过步进电机正转或反转来达到期望值。在步进启动时采用加速过

1 / 13

计量泵流量控制系统设计

程，在即将达到期望值时采用减速过程，使得步进电机能不失步的稳定运行。另

外，在计量泵的泵体上安装了接近开关，当计量泵的丝杠运行到极限位置时，接

近开关向单片机发出高电平是计量泵的丝杠运动停止，以保障计量泵本体的安全

性，在软件设计中，对控制装置也采用软件保护措施，如当步进电机所处于运动

状态或输入值超过系统的最大值时，所输入的命令是无效的。

控制系统硬件电路基本组成

控制系统采用AT89C52做主控单元，通过与AT89C2051的串口通信实现

对步进电机的远程控制。控制系统硬件电路的总体结构如下图（图（1））所示，

包括A/D转换电路 AT89C51单片机系统 AT89V2051单片机系统和操作/显示

面板等。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反

复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令

系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行

业中有着广泛的应用。

AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功

能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始

化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主

板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器

输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接

电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分

别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件

定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分

2 / 13