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價比的單片機，并已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。

筆者開發(fā)的小型空氣壓縮機采用直流電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)作為驅(qū)動源，它具有體積?。?5 mm×26 mm×75mm）、重量輕（94 g）、動作頻率高（6 480次／min）和流量脈動小等特點，可內(nèi)藏于機器人的腕部實現(xiàn)對手指關節(jié)的直接驅(qū)動。以PIC16F873單片機為核心構(gòu)成該小型空氣壓縮機的控制裝置，研制出了價廉、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、壓力傳感器和線圈驅(qū)動回路組成。通過軟件編程，利用端口B的RB1 和RB2引腳產(chǎn)生兩個脈沖信號作為線圈的驅(qū)動信號，用于切換線圈中電流的流動方向，實現(xiàn)對電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)往復直線運動的控制。在該驅(qū)動信號的控制下，電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)以一定的頻率做往復直線運動。由于氣缸的活塞桿與電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)直接相聯(lián)，活塞在電磁鐵驅(qū)動機構(gòu)的推動下也做往復運動。伴隨著活塞的往復運動帶來的氣缸腔室容積的變化，空氣被吸入或被壓縮，從而實現(xiàn)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。當輸出壓力值達到預先設定的目標壓力值時，空氣壓縮機停止運行，從而實現(xiàn)對空氣壓縮機的控制。以下就各構(gòu)成部分的原理和特點進行敘述。

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，使用起來特別方便。192字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器除RAM外，還有128字節(jié)的EEPROM，可以當作一般的或非易失性的數(shù)據(jù)存儲器使用，簡單方便。3個I／O端口（RA、RB和RC），具有13個中斷源、3個定時器、2個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)上電復位、延時電路、看門狗電路等。

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(wěn)定的時鐘信號，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(wěn)定性。

②電源部分

PIC系列單片機功耗極低，動作電壓范圍寬（2．5～5．5V），可用電池驅(qū)動。為了簡化電源部分，采用PIC16F873和負荷（線圈）共用一個電源的供電方案。因線圈已選用鎳氫可充電電池驅(qū)動，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。考慮到線圈帶電時引起的電源電壓波動，會影響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(qū)動?！　≡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）對應相連。用3根控制信號線（E，R／W，RS）來實現(xiàn)對顯示器的讀／寫操作控制，其分別與端口B的RB3～RB5相連。10 k的可變電阻用來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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，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共用一個電源。壓力測定范圍為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，其功能是用來設置目標壓力值。

⑤線圈驅(qū)動回路

用4只場效應管構(gòu)成線圈的橋式驅(qū)動回路，并前置場效應管驅(qū)動芯片（MAX620），實現(xiàn)對線圈中電流流動方向的切換，如圖2—5所示。在線圈驅(qū)動信號（FORWARD／REVERSE）的控制下，來切換線圈中電流的方向。驅(qū)動信號FORWARD為線圈正向加壓信號，當置高電平時，產(chǎn)生正向電流和磁力，驅(qū)動活塞向一側(cè)移動；而驅(qū)動信號REVERSE為線圈反向加壓信號，當置高電平時，產(chǎn)生負向電流和磁力，驅(qū)動活塞向另一側(cè)移動。兩驅(qū)動信號為低電平時，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(qū)動信號的控制下，以一定的頻率做周期性直線往復運動。

3　動作順序和程序框圖

3．1　動作順序

首先把SW1滑動開關置于ON位，電源接通。調(diào)節(jié)可變電阻完成對目標壓力值的設置。按一下SW2按鈕開關，空氣壓縮機就進入工作狀態(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。壓力值一旦達到目標壓力值，就自動停止運行。另外，在工作途中，如果按了SW2按鈕開關，空氣壓縮機也會停止運行。在空氣壓縮機停止運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可再次設置目標壓力值。工作完畢，應把SW1滑動開關置于OFF位，切斷電源。這樣空氣壓縮機在控制裝置的控制下，能夠自動地追蹤設定的目標壓力值。

3．2　程序框圖

控制裝置的整個程序包括PIC和LCD的初始化、A／D采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、按鍵響應判斷、線圈驅(qū)動等子程序，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，來制作出驅(qū)動線圈的脈沖信號。在比較工作方式時，16位比較寄存器的值一直與定時器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)生出時間間隔，而沒有時間滯后現(xiàn)象。所以從程序框圖中可以看出是用開、關中斷來控制空壓機運行和停止的。中斷許可時產(chǎn)生驅(qū)動線圈的脈沖信號，空壓機就運行；中斷禁止時不產(chǎn)生驅(qū)動線圈的脈沖信號，空壓機就停止運行。

4　結(jié)　論　　

筆者以PIC16F873單片機為核心開發(fā)出了價廉、小巧和便于攜帶的小型空氣壓縮機的控制裝置，實驗證明控制性能良好。實現(xiàn)了所研制的小型空氣壓縮機整體結(jié)構(gòu)的小型、輕量化，使其可內(nèi)藏于機器人的腕部，實現(xiàn)對手指關節(jié)的直接驅(qū)動成為可能。

［參考文獻］

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