基于PIC單片機的小型空氣壓縮機控制裝置

1　前　言　　

美國Microchip公司的PIC16系列單片機是一種新型的CMOS工藝的8位單片機。因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，因而是一種非常適合在各種便攜式設備中使用的高性?xún)r(jià)比的單片機，并已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應用。

筆者開(kāi)發(fā)的小型空氣壓縮機采用直流電磁鐵驅動(dòng)機構作為驅動(dòng)源，它具有體積?。?5 mm×26 mm×75mm）、重量輕（94 g）、動(dòng)作頻率高（6 480次／min）和流量脈動(dòng)小等特點(diǎn)，可內藏于機器人的腕部實(shí)現對手指關(guān)節的直接驅動(dòng)。以PIC16F873單片機為核心構成該小型空氣壓縮機的控制裝置，研制出了價(jià)廉、小巧和具有良好控制性能的控制裝置，文中介紹了該控制裝置的硬件電路、程序框圖和工作原理。

2　硬件電路　　

如圖2—1所示，控制裝置的硬件電路由PIC16F873單片機、電源、液晶顯示器、壓力傳感器和線(xiàn)圈驅動(dòng)回路組成。通過(guò)軟件編程，利用端口B的RB1 和RB2引腳產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號作為線(xiàn)圈的驅動(dòng)信號，用于切換線(xiàn)圈中電流的流動(dòng)方向，實(shí)現對電磁鐵驅動(dòng)機構往復直線(xiàn)運動(dòng)的控制。在該驅動(dòng)信號的控制下，電磁鐵驅動(dòng)機構以一定的頻率做往復直線(xiàn)運動(dòng)。由于氣缸的活塞桿與電磁鐵驅動(dòng)機構直接相聯(lián)，活塞在電磁鐵驅動(dòng)機構的推動(dòng)下也做往復運動(dòng)。伴隨著(zhù)活塞的往復運動(dòng)帶來(lái)的氣缸腔室容積的變化，空氣被吸入或被壓縮，從而實(shí)現了空氣壓縮機的功能。

空氣壓縮機在運行中輸出壓力的大小由壓力傳感器檢測，并由液晶顯示器顯示出來(lái)。當輸出壓力值達到預先設定的目標壓力值時(shí)，空氣壓縮機停止運行，從而實(shí)現對空氣壓縮機的控制。以下就各構成部分的原理和特點(diǎn)進(jìn)行敘述。

①PIC16F873單片機

PIC16F873微處理器屬于PIC系列單片機的中級產(chǎn)品，28引腳。具有4K×14閃速程序存儲器、可多次修改程序，使用起來(lái)特別方便。192字節片內數據存儲器除RAM外，還有128字節的EEPROM，可以當作一般的或非易失性的數據存儲器使用，簡(jiǎn)單方便。3個(gè)I／O端口（RA、RB和RC），具有13個(gè)中斷源、3個(gè)定時(shí)器、2個(gè)CCP（捕捉／比較／PWM）模塊，集成了5路8位A／D轉換器。它還具有片內上電復位、延時(shí)電路、看門(mén)狗電路等。

PIC系列單片機可工作于不同的振蕩器方式，有4種振蕩方式可供選擇。為了得到快速、精確和穩定的時(shí)鐘信號，選擇了高速晶體振蕩HS方式。選用10 MHz石英晶體振蕩器和2只20 pF的電容組成振蕩電路，連接到單片機的OSC1／CLKIN和OSC2／CLKOUT引腳上，因此可產(chǎn)生10 MHz的時(shí)鐘頻率。在此高速振蕩方式下，應在回路中接入一只100Ω～1 kΩ大小的電阻R2，以提高振蕩的穩定性。

②電源部分

PIC系列單片機功耗極低，動(dòng)作電壓范圍寬（2．5～5．5V），可用電池驅動(dòng)。為了簡(jiǎn)化電源部分，采用PIC16F873和負荷（線(xiàn)圈）共用一個(gè)電源的供電方案。因線(xiàn)圈已選用鎳氫可充電電池驅動(dòng)，故用4節鎳氫可充電電池（公稱(chēng)電壓4×1．2 V）作為供電電源?？紤]到線(xiàn)圈帶電時(shí)引起的電源電壓波動(dòng)，會(huì )影響PIC16F873的正常工作，所以在回路中接入DC－DC轉換器（MAX631），使 PIC16F873獲得一個(gè)穩定的供電電壓，如圖2—2所示。

③液晶顯示器（LCD）

使用液晶顯示器來(lái)顯示小型空氣壓縮機運行中輸出壓力的大小。選用的液晶顯示器型號為SC1602BSLB（SUNLIKE公司），如圖2—3所示。

SC1602BSLB為16文字2行顯示，5V電壓供電，消耗電流（0．35～0．6 mA）極小，可與PIC單片機直接相連，適合用電池驅動(dòng)?！　≡撘壕э@示器數據的傳送由4字節和8字節兩種工作模式可供選擇。因可供使用的引腳富裕，故選擇了8字節的數據傳送工作模式。端口C（RC0～RC7）與液晶顯示器的8根數據線(xiàn)（DB0～DB7）對應相連。用3根控制信號線(xiàn)（E，R／W，RS）來(lái)實(shí)現對顯示器的讀／寫(xiě)操作控制，其分別與端口B的RB3～RB5相連。10 k的可變電阻用來(lái)調節顯示器的亮度。

液晶顯示器的上行顯示目標壓力設定值，下行顯示空氣壓縮機運行中輸出壓力測定值。改變圖2—1中可變電阻阻值，可調節目標壓力設定值的大小。

④壓力傳感器

為了檢測小型空氣壓縮機運行中輸出壓力的大小，選用可直接安裝在電路板上的微型壓力傳感器（XN－PN200，FUJIKURA公司），如圖2—4所示。該壓力傳感器消耗電流為10 mA以下，使用電壓為5 V，可與PIC共用一個(gè)電源。壓力測定范圍為0～120kPa，滿(mǎn)量程電壓為4．5±0．1 V。PIC16F873的RA1／AN1引腳作為壓力傳感器的電壓模擬信號的輸入端使用。另外，RAO／ANO引腳作為可變電阻的電壓輸入端使用，其功能是用來(lái)設置目標壓力值。

⑤線(xiàn)圈驅動(dòng)回路

用4只場(chǎng)效應管構成線(xiàn)圈的橋式驅動(dòng)回路，并前置場(chǎng)效應管驅動(dòng)芯片（MAX620），實(shí)現對線(xiàn)圈中電流流動(dòng)方向的切換，如圖2—5所示。在線(xiàn)圈驅動(dòng)信號（FORWARD／REVERSE）的控制下，來(lái)切換線(xiàn)圈中電流的方向。驅動(dòng)信號FORWARD為線(xiàn)圈正向加壓信號，當置高電平時(shí)，產(chǎn)生正向電流和磁力，驅動(dòng)活塞向一側移動(dòng)；而驅動(dòng)信號REVERSE為線(xiàn)圈反向加壓信號，當置高電平時(shí)，產(chǎn)生負向電流和磁力，驅動(dòng)活塞向另一側移動(dòng)。兩驅動(dòng)信號為低電平時(shí)，磁力消失，活塞在復位彈簧力的作用下從兩端返回中位。這樣活塞在兩驅動(dòng)信號的控制下，以一定的頻率做周期性直線(xiàn)往復運動(dòng)。

3　動(dòng)作順序和程序框圖

3．1　動(dòng)作順序

首先把SW1滑動(dòng)開(kāi)關(guān)置于ON位，電源接通。調節可變電阻完成對目標壓力值的設置。按一下SW2按鈕開(kāi)關(guān)，空氣壓縮機就進(jìn)入工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機運行中輸出的壓力值由壓力傳感器檢測，并由液晶顯示器顯示出來(lái)。壓力值一旦達到目標壓力值，就自動(dòng)停止運行。另外，在工作途中，如果按了SW2按鈕開(kāi)關(guān)，空氣壓縮機也會(huì )停止運行。在空氣壓縮機停止運轉狀態(tài)下，可再次設置目標壓力值。工作完畢，應把SW1滑動(dòng)開(kāi)關(guān)置于OFF位，切斷電源。這樣空氣壓縮機在控制裝置的控制下，能夠自動(dòng)地追蹤設定的目標壓力值。

3．2　程序框圖

控制裝置的整個(gè)程序包括PIC和LCD的初始化、A／D采樣、數據轉換、數據顯示、按鍵響應判斷、線(xiàn)圈驅動(dòng)等子程序，其程序框圖如圖3—1所示。在這里，利用 PIC16F873的CCP（捕捉／比較／PWM）功能中的比較功能產(chǎn)生中斷，來(lái)制作出驅動(dòng)線(xiàn)圈的脈沖信號。在比較工作方式時(shí)，16位比較寄存器的值一直與定時(shí)器TMR1寄存器的值相比較，一旦相等，就產(chǎn)生中斷。該機可精確地產(chǎn)生出時(shí)間間隔，而沒(méi)有時(shí)間滯后現象。所以從程序框圖中可以看出是用開(kāi)、關(guān)中斷來(lái)控制空壓機運行和停止的。中斷許可時(shí)產(chǎn)生驅動(dòng)線(xiàn)圈的脈沖信號，空壓機就運行；中斷禁止時(shí)不產(chǎn)生驅動(dòng)線(xiàn)圈的脈沖信號，空壓機就停止運行。

4　結　論　　

筆者以PIC16F873單片機為核心開(kāi)發(fā)出了價(jià)廉、小巧和便于攜帶的小型空氣壓縮機的控制裝置，實(shí)驗證明控制性能良好。實(shí)現了所研制的小型空氣壓縮機整體結構的小型、輕量化，使其可內藏于機器人的腕部，實(shí)現對手指關(guān)節的直接驅動(dòng)成為可能。

［參考文獻］

［1］　李學(xué)海．單片機硬、軟件及應用講座［J］．電子世界，2001（1）～2001（6）．