計量泵流量控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于80C51的計量泵流量控制系統(tǒng)設(shè)計【內(nèi)容摘要】：步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ,將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī)。本文將計量泵流量控制轉(zhuǎn)換為對步進(jìn)電機(jī)的控制。控制系統(tǒng)采用AT89C52做主控單元，通過與AT89C2051的串口通信實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，最終實現(xiàn)對泵流量控制?！娟P(guān)鍵詞】：單片機(jī) 控制 速度 步進(jìn)電機(jī) AT89C52 AT89C2051步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控式電機(jī)，是工業(yè)控制及儀表中常用的控制元件之一，其最大特點是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度有輸入的脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。它具有輸入脈沖與電機(jī)軸轉(zhuǎn)角成比例的特征因此非常

2、適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的工作原理：其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機(jī)運轉(zhuǎn)的速度.當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的步進(jìn)電機(jī)的特點：1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2） 步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首

3、先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈

4、沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。計量泵的控制系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)通過一對減速齒輪帶動計量泵的轉(zhuǎn)動絲杠上下運動，從而達(dá)到控制流量的目的。因此，本系統(tǒng)的控制主要是通過向步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來實現(xiàn)。在本控制系統(tǒng)中，可以通過人工輸入所需要的流量值（通過絲杠的位置反應(yīng)出來）來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)；也可以通過外部流量傳感器反饋回來的信號（標(biāo)準(zhǔn)420MA）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后以自動控制方式來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)。當(dāng)采用人工

5、控制時，輸入期望數(shù)據(jù)后，處理器將輸入的數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)相比較，得到相應(yīng)的動作值，計算出相應(yīng)的脈沖數(shù)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來達(dá)到期望值。在步進(jìn)啟動時采用加速過程，在即將達(dá)到期望值時采用減速過程，使得步進(jìn)電機(jī)能不失步的穩(wěn)定運行。另外，在計量泵的泵體上安裝了接近開關(guān)，當(dāng)計量泵的絲杠運行到極限位置時，接近開關(guān)向單片機(jī)發(fā)出高電平是計量泵的絲杠運動停止，以保障計量泵本體的安全性，在軟件設(shè)計中，對控制裝置也采用軟件保護(hù)措施，如當(dāng)步進(jìn)電機(jī)所處于運動狀態(tài)或輸入值超過系統(tǒng)的最大值時，所輸入的命令是無效的。控制系統(tǒng)硬件電路基本組成控制系統(tǒng)采用AT89C52做主控單元，通過與AT89C2051的串口通信

6、實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)如下圖（圖（1）所示，包括A/D轉(zhuǎn)換電路 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng) AT89V2051單片機(jī)系統(tǒng)和操作/顯示面板等。AT89C52是一個低電壓，高性能 8位，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（），器件采用的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52為8 位，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。

7、功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為

8、I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 AT89C2051是美國公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 8位，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和存儲單元，AT89C2051單片機(jī)在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。引腳圖如下所示：引腳說明：1、VCC：電源電壓。 2、GN

9、D：地。 3、P1口：P1口是一個8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當(dāng)P!口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的寫入“1”時，其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的而流出電流。 4、P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻 的七個雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比

10、較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3品緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部時拉低的P3口腳將用上拉電阻而流出電流。 P3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的各種第二功能，如下表所列： 引腳口功 能 P3.0RXD串行輸入端口P3.1TXD串行輸入端口P3.2INT0外中斷0P3.3INT1外中斷1P3.4T0定時器0外部輸入P3.5 T1定時器1外部輸入P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 5、RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運行時，持續(xù)給出

11、RST引腳兩個機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機(jī)器周期需12個振蕩器或時鐘周期。 6、XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 7、XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 顯示接口的選擇單片機(jī)顯示接口是控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時自動地向操作人員提供必要的狀態(tài)信息的途徑，它及時向工作人員提供系統(tǒng)運行狀態(tài)和對操作命令的響應(yīng)，它是系統(tǒng)實現(xiàn)交互功能的一種途徑。本控制器是采用共陰極8段LED數(shù)碼管。A/D轉(zhuǎn)換接口外部流量傳感器反饋回來的電流信號（標(biāo)準(zhǔn)420mA）進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器以轉(zhuǎn)換成單片機(jī)便于處理的數(shù)字信號。在該設(shè)計中，采用了美國Ti公司生產(chǎn)的TLC1549. 控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計軟

12、件設(shè)計是為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能。在滿足基本功能要求的前提下，采用各種有效方式使操作靈活簡便，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。根據(jù)以上原則，本軟件總思路如下：當(dāng)有鍵盤或外部的的信號輸入時，由計算出步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)，此時將串行通信標(biāo)志位置1，程序轉(zhuǎn)入串行通信子程序，將電機(jī)所要走的步數(shù)傳送給，從而完成數(shù)據(jù)的輸入和對電機(jī)的控制。程序的總體轉(zhuǎn)入串行通信子程序傳送標(biāo)志位傳送標(biāo)志位開中斷顯示/鍵盤初始化AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)初始化關(guān)中斷開始流程圖如圖2所示。NY（圖2）本系統(tǒng)將對泵的流量控制轉(zhuǎn)化為對步進(jìn)電機(jī)的控制。當(dāng) 流量在泵容量內(nèi)變化時，步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)為60000（此時步進(jìn)電機(jī)

13、的步距角被細(xì)分為0.18）。這種控制的運算方式是相對的，控制系統(tǒng)從一次運行的基礎(chǔ)上運行，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)與上一次的數(shù)據(jù)相減，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得出步進(jìn)電機(jī)所發(fā)的脈沖方向（加速-減速）。接近開關(guān)信號是絲桿的0位標(biāo)志，AT89C2051上電初始化，電機(jī)正轉(zhuǎn)；到達(dá)零位時，接近開關(guān)發(fā)出信號，觸發(fā)AT89C2051的外部中斷程序使電機(jī)停轉(zhuǎn)。是否為自動狀態(tài)開始本系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的輸入和命令的發(fā)送都是由鍵盤輸入的，系統(tǒng)運作時對輸入數(shù)據(jù)的一種相應(yīng)。系統(tǒng)設(shè)計中 鍵盤和LED顯示都是通過對其接口的不斷掃描來實現(xiàn)的。所以，掃描定時器的中斷程序設(shè)記必不可少，下圖3為定時器的中斷程序設(shè)計流程圖鍵盤掃描對A/D接口采集新的設(shè)定值是否有鍵

14、按下轉(zhuǎn)入相應(yīng)鍵處理程序LED顯示子程序返回總流程（圖3）本系統(tǒng)中涉及到流量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)顯示的轉(zhuǎn)化問題。在編程時，用數(shù)組led3作為顯示寄存器，分別儲存十位個位和十分位的數(shù)據(jù)內(nèi)容；用ss來儲存流量數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示數(shù)據(jù)向流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時程序進(jìn)行如下的運算：將led2中的數(shù)據(jù)乘以100后語led1中的數(shù)據(jù)乘以10后相加，再加上led0中的數(shù)據(jù)，將加得的數(shù)送到ss中。從而得到流量數(shù)據(jù)。反之除以得到顯示寄存器中的值。計算程序如下If (new_pos!=now_pos&auto_pos<=250)sewp.idata=new_pos-nou_pos;Now_pos=new_pos;Bsendto2

15、051=1;Ti=now_pos;led2=ledtableti%10;ti/=10;led1=ledtableti%10;ti/=10;led0=ledtableti%10;else return;串口通信程序設(shè)計異步通信：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。其每幀的格式如下：在一幀格式中，先是一個起始位0，然后是8個數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位（能省略），最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符能一個接一個地傳送。     在異步通信中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方

16、能夠在對同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式能由通信的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發(fā)，一般還是使用一些標(biāo)準(zhǔn)為好，如采用ASCII標(biāo)準(zhǔn)。     波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率，其定義是每秒鐘傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每個字符如上述規(guī)定包含10數(shù)位，則傳送波特率為1200波特。同步通信：在同步通信中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時間；所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時，為了提高速度，常去掉這些標(biāo)志，采用同步傳送。由于數(shù)據(jù)塊傳遞開始要用同步字符來指示，同時要求由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，

17、故硬件較復(fù)雜。通信方向傳送模式：在串行通信中，把通信接口只能發(fā)送或接收的單向傳送辦法叫單工傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機(jī)之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機(jī)之間不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時該，只能發(fā)或者只能收信息。在串行通信中，收發(fā)雙方接受的數(shù)據(jù)速率要有一定的約定，系統(tǒng)通過軟件對AT89C52和AT89C2051串行口變成可約定四種工作方式：方式0,1,2,3,。本系統(tǒng)選擇方式1。用定時器T1產(chǎn)生波特律時，波特率與T1的溢出率有關(guān)，本系統(tǒng)中采用22.1184MHZ的晶振，要產(chǎn)生19200b/s的波特率。在軟件編程中。定時器T1的初始化如下；

18、TMOD&=0X0F;TMOD!=0X20;TH1=0XED;TL1=TH1;ET1=0;TR1=1;AT89C52和AT89C2051程序中各設(shè)立一個標(biāo)志位，分別為bsendto2051和rxdmew，將這兩個值都初始化位0.將AT89C52和AT89C2051都初始化為串行方式1。AT89C52 的串口初始化程序為SCON |=0X50;PCON &=0X7F;EA = 0;TI = 0;AT89C2051的串口初始化程序為SCON |=0X50;PCON &=0X7F;RI = 0;ES = 0;步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計由于步進(jìn)電機(jī)在啟動、運轉(zhuǎn)和停止過程中，不能以一個

19、恒定的速度來設(shè)計，需要一定的加速和減速，因此步進(jìn)電機(jī)控制程序中，不僅要控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，還要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；程序附后本控制系統(tǒng)采用AT89C52做主控單元，通過與AT89C2051的串口通信實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，硬件設(shè)計到軟件設(shè)計，從而達(dá)到控制流量的目的?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】：單片機(jī)原理及接口技術(shù) 余錫存 曹國華 編著 西安電子科技大學(xué)出版社微型計算機(jī)原理與接口技術(shù) 馮博琴 吳寧 編著 清華大學(xué)出版社80C51單片機(jī) 原理、開發(fā)與應(yīng)用實例 于曉東 主編 中國電力出版社51單片機(jī)及其C語言程序開發(fā)實例 戴仙金 主編 清華大學(xué)出版社步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計 大致如下/*端口宏定義*/#define IN

20、1_DAT GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0#define IN1_DIR GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA0#define IN2_DAT GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA2#define IN2_DIR GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA2#define IN3_DAT GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA4#define IN3_DIR GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA4#define IN4_DAT GpioDataRegs.GPADAT.b

21、it.GPIOA6#define IN4_DIR GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA6#define Up_Key GpioDataRegs.GPEDAT.bit.GPIOE2#define Down_Key GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIOB8 /*常量宏定義*/ #define Period 40 /周期為Period*0.5mS=20mS/*全局變量定義*/*函數(shù)聲明*/ void Init_Port(void);void Init_Timer0(void);void Delay_500uS(void);void Scan_Key(void)

22、;void Manage_Up(void);void Manage_Down(void);void Forward_Drive(void);void Reverse_Drive(void);/*-*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:主函數(shù) */*-*/ void main(void) InitSysCtrl(); / 系統(tǒng)初始化子程序，在DSP28_sysctrl.c中 Init_Port(); Init_Timer0(); while(1) if(Up_Key=0)|(Down_Key=0)/掃描是否按鍵按下 Scan_Key(); /*-*/*形式參數(shù)：voi

23、d */*返回值:void */*函數(shù)描述:初始化電機(jī)控制端口 */*-*/ void Init_Port(void) EALLOW; IN1_DIR=1; IN2_DIR=1; IN3_DIR=1; IN4_DIR=1; EDIS; IN1_DAT=0; IN2_DAT=0; IN3_DAT=0; IN4_DAT=0;/*-*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:初始化Timer0 */*-*/ void Init_Timer0(void) CpuTimer0Regs.PRD.all = 60000;/設(shè)置定時器周期 CpuTimer0Regs.TPR.all =

24、0; CpuTimer0Regs.TPRH.all = 0; CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 1;/停止定時器 /*-*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:延時0.5mS時間 */*-*/ void Delay_500uS(void) CpuTimer0Regs.TCR.bit.TRB = 1;/定時器重裝 CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 0;/啟動定時器 while(CpuTimer0Regs.TCR.bit.TIF !=1);/計數(shù)完成 CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 1;/停止定時器/*-

25、*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:掃描鍵值 */*-*/void Scan_Key(void) unsigned int i; for(i=0;i<40;i+) /鍵盤消抖動,20mS Delay_500uS(); if(Up_Key=0) Manage_Up(); else if(Down_Key=0) Manage_Down(); while(Up_Key=0)|(Down_Key=0); /*-*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:按鍵的處理程序 */*-*/void Manage_Up(void) /正轉(zhuǎn) Forward_Drive();void Manage_Down(void)/反轉(zhuǎn) Reverse_Drive(); /*-*/*形式參數(shù)：void */*返回值:void */*函數(shù)描述:電機(jī)正轉(zhuǎn)程序 */*-*/void Forward_Drive(void) unsigned char i;