基于PIC單片機(jī)的小型空氣壓縮機(jī)控制裝置

1　前　言　　

美國(guó)Microchip公司的PIC16系列單片機(jī)是一種新型的CMOS工藝的8位單片機(jī)。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(shè)備中使用的高性價(jià)比的單片機(jī)，并已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

筆者開(kāi)發(fā)的小型空氣壓縮機(jī)采用直流電磁鐵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)源，它具有體積小（35 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(nèi)藏于機(jī)器人的腕部實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)。以PIC16F873單片機(jī)為核心構(gòu)成該小型空氣壓縮機(jī)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(jī)、電源、液晶顯示器、壓力傳感器和線圈驅(qū)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(hào)作為線圈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于切換線圈中電流的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的控制。在該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，電磁鐵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以一定的頻率做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。由于氣缸的活塞桿與電磁鐵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接相聯(lián)，活塞在電磁鐵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下也做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。伴隨著活塞的往復(fù)運(yùn)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(xiàn)了空氣壓縮機(jī)的功能。

空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行中輸出壓力的大小由壓力傳感器檢測(cè)，并由液晶顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)輸出壓力值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)壓力值時(shí)，空氣壓縮機(jī)停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣壓縮機(jī)的控制。以下就各構(gòu)成部分的原理和特點(diǎn)進(jìn)行敘述。

①PIC16F873單片機(jī)

PIC16F873微處理器屬于PIC系列單片機(jī)的中級(jí)產(chǎn)品，28引腳。具有4K×14閃速程序存儲(chǔ)器、可多次修改程序，使用起來(lái)特別方便。192字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器除RAM外，還有128字節(jié)的EEPROM，可以當(dāng)作一般的或非易失性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(zhuǎn)換器。它還具有片內(nèi)上電復(fù)位、延時(shí)電路、看門狗電路等。

PIC系列單片機(jī)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(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，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(jī)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(yīng)在回路中接入一只100Ω～1 kΩ大小的電阻R2，以提高振蕩的穩(wěn)定性。

②電源部分

PIC系列單片機(jī)功耗極低，動(dòng)作電壓范圍寬（2．5～5．5V），可用電池驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化電源部分，采用PIC16F873和負(fù)荷（線圈）共用一個(gè)電源的供電方案。因線圈已選用鎳氫可充電電池驅(qū)動(dòng)，故用4節(jié)鎳氫可充電電池（公稱電壓4×1．2 V）作為供電電源?？紤]到線圈帶電時(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(zhuǎn)換器（MAX631），使 PIC16F873獲得一個(gè)穩(wěn)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(jī)運(yùn)行中輸出壓力的大小。選用的液晶顯示器型號(hào)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(jī)直接相連，適合用電池驅(qū)動(dòng)?！　≡撘壕э@示器數(shù)據(jù)的傳送由4字節(jié)和8字節(jié)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(jié)的數(shù)據(jù)傳送工作模式。端口C（RC0～RC7）與液晶顯示器的8根數(shù)據(jù)線（DB0～DB7）對(duì)應(yīng)相連。用3根控制信號(hào)線（E，R／W，RS）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器的讀／寫操作控制，其分別與端口B的RB3～RB5相連。10 k的可變電阻用來(lái)調(diào)節(jié)顯示器的亮度。

液晶顯示器的上行顯示目標(biāo)壓力設(shè)定值，下行顯示空氣壓縮機(jī)運(yùn)行中輸出壓力測(cè)定值。改變圖2—1中可變電阻阻值，可調(diào)節(jié)目標(biāo)壓力設(shè)定值的大小。

④壓力傳感器

為了檢測(cè)小型空氣壓縮機(jī)運(yùn)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，F(xiàn)UJIKURA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(cè)定范圍為0～120kPa，滿量程電壓為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(hào)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(shè)置目標(biāo)壓力值。

⑤線圈驅(qū)動(dòng)回路

用4只場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成線圈的橋式驅(qū)動(dòng)回路，并前置場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片（MAX620），實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈中電流流動(dòng)方向的切換，如圖2—5所示。在線圈驅(qū)動(dòng)信號(hào)（FORWARD／REVERSE）的控制下，來(lái)切換線圈中電流的方向。驅(qū)動(dòng)信號(hào)FORWARD為線圈正向加壓信號(hào)，當(dāng)置高電平時(shí)，產(chǎn)生正向電流和磁力，驅(qū)動(dòng)活塞向一側(cè)移動(dòng)；而驅(qū)動(dòng)信號(hào)REVERSE為線圈反向加壓信號(hào)，當(dāng)置高電平時(shí)，產(chǎn)生負(fù)向電流和磁力，驅(qū)動(dòng)活塞向另一側(cè)移動(dòng)。兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，磁力消失，活塞在復(fù)位彈簧力的作用下從兩端返回中位。這樣活塞在兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，以一定的頻率做周期性直線往復(fù)運(yùn)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(diào)節(jié)可變電阻完成對(duì)目標(biāo)壓力值的設(shè)置。按一下SW2按鈕開(kāi)關(guān)，空氣壓縮機(jī)就進(jìn)入工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)行中輸出的壓力值由壓力傳感器檢測(cè)，并由液晶顯示器顯示出來(lái)。壓力值一旦達(dá)到目標(biāo)壓力值，就自動(dòng)停止運(yùn)行。另外，在工作途中，如果按了SW2按鈕開(kāi)關(guān)，空氣壓縮機(jī)也會(huì)停止運(yùn)行。在空氣壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可再次設(shè)置目標(biāo)壓力值。工作完畢，應(yīng)把SW1滑動(dòng)開(kāi)關(guān)置于OFF位，切斷電源。這樣空氣壓縮機(jī)在控制裝置的控制下，能夠自動(dòng)地追蹤設(shè)定的目標(biāo)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、按鍵響應(yīng)判斷、線圈驅(qū)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(qū)動(dòng)線圈的脈沖信號(hào)。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(jī)可精確地產(chǎn)生出時(shí)間間隔，而沒(méi)有時(shí)間滯后現(xiàn)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(jī)運(yùn)行和停止的。中斷許可時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)線圈的脈沖信號(hào)，空壓機(jī)就運(yùn)行；中斷禁止時(shí)不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)線圈的脈沖信號(hào)，空壓機(jī)就停止運(yùn)行。

4　結(jié)　論　　

筆者以PIC16F873單片機(jī)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(jī)的控制裝置，實(shí)驗(yàn)證明控制性能良好。實(shí)現(xiàn)了所研制的小型空氣壓縮機(jī)整體結(jié)構(gòu)的小型、輕量化，使其可內(nèi)藏于機(jī)器人的腕部，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)成為可能。

［參考文獻(xiàn)］

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