基于PIC单片机的小型空气压缩机控制装置

1　前　言　　

美国Microchip公司的PIC16系列单片机是一种新型的CMOS工艺的8位单片机。因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机，并已经得到了越来越广泛的应用。

笔者开发的小型空气压缩机采用直流电磁铁驱动机构作为驱动源，它具有体积小（35 mm×26 mm×75mm）、重量轻（94 g）、动作频率高（6 480次／min）和流量脉动小等特点，可内藏于机器人的腕部实现对手指关节的直接驱动。以PIC16F873单片机为核心构成该小型空气压缩机的控制装置，研制出了价廉、小巧和具有良好控制性能的控制装置，文中介绍了该控制装置的硬件电路、程序框图和工作原理。

2　硬件电路　　

如图2—1所示，控制装置的硬件电路由PIC16F873单片机、电源、液晶显示器、压力传感器和线圈驱动回路组成。通过软件编程，利用端口B的RB1 和RB2引脚产生两个脉冲信号作为线圈的驱动信号，用于切换线圈中电流的流动方向，实现对电磁铁驱动机构往复直线运动的控制。在该驱动信号的控制下，电磁铁驱动机构以一定的频率做往复直线运动。由于气缸的活塞杆与电磁铁驱动机构直接相联，活塞在电磁铁驱动机构的推动下也做往复运动。伴随着活塞的往复运动带来的气缸腔室容积的变化，空气被吸入或被压缩，从而实现了空气压缩机的功能。

空气压缩机在运行中输出压力的大小由压力传感器检测，并由液晶显示器显示出来。当输出压力值达到预先设定的目标压力值时，空气压缩机停止运行，从而实现对空气压缩机的控制。以下就各构成部分的原理和特点进行叙述。

①PIC16F873单片机

PIC16F873微处理器属于PIC系列单片机的中级产品，28引脚。具有4K×14闪速程序存储器、可多次修改程序，使用起来特别方便。192字节片内数据存储器除RAM外，还有128字节的EEPROM，可以当作一般的或非易失性的数据存储器使用，简单方便。3个I／O端口（RA、RB和RC），具有13个中断源、3个定时器、2个CCP（捕捉／比较／PWM）模块，集成了5路8位A／D转换器。它还具有片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。

PIC系列单片机可工作于不同的振荡器方式，有4种振荡方式可供选择。为了得到快速、精确和稳定的时钟信号，选择了高速晶体振荡HS方式。选用10 MHz石英晶体振荡器和2只20 pF的电容组成振荡电路，连接到单片机的OSC1／CLKIN和OSC2／CLKOUT引脚上，因此可产生10 MHz的时钟频率。在此高速振荡方式下，应在回路中接入一只100Ω～1 kΩ大小的电阻R2，以提高振荡的稳定性。

②电源部分

PIC系列单片机功耗极低，动作电压范围宽（2．5～5．5V），可用电池驱动。为了简化电源部分，采用PIC16F873和负荷（线圈）共用一个电源的供电方案。因线圈已选用镍氢可充电电池驱动，故用4节镍氢可充电电池（公称电压4×1．2 V）作为供电电源。考虑到线圈带电时引起的电源电压波动，会影响PIC16F873的正常工作，所以在回路中接入DC－DC转换器（MAX631），使 PIC16F873获得一个稳定的供电电压，如图2—2所示。

③液晶显示器（LCD）

使用液晶显示器来显示小型空气压缩机运行中输出压力的大小。选用的液晶显示器型号为SC1602BSLB（SUNLIKE公司），如图2—3所示。

SC1602BSLB为16文字2行显示，5V电压供电，消耗电流（0．35～0．6 mA）极小，可与PIC单片机直接相连，适合用电池驱动。　　该液晶显示器数据的传送由4字节和8字节两种工作模式可供选择。因可供使用的引脚富裕，故选择了8字节的数据传送工作模式。端口C（RC0～RC7）与液晶显示器的8根数据线（DB0～DB7）对应相连。用3根控制信号线（E，R／W，RS）来实现对显示器的读／写操作控制，其分别与端口B的RB3～RB5相连。10 k的可变电阻用来调节显示器的亮度。

液晶显示器的上行显示目标压力设定值，下行显示空气压缩机运行中输出压力测定值。改变图2—1中可变电阻阻值，可调节目标压力设定值的大小。

④压力传感器

为了检测小型空气压缩机运行中输出压力的大小，选用可直接安装在电路板上的微型压力传感器（XN－PN200，FUJIKURA公司），如图2—4所示。该压力传感器消耗电流为10 mA以下，使用电压为5 V，可与PIC共用一个电源。压力测定范围为0～120kPa，满量程电压为4．5±0．1 V。PIC16F873的RA1／AN1引脚作为压力传感器的电压模拟信号的输入端使用。另外，RAO／ANO引脚作为可变电阻的电压输入端使用，其功能是用来设置目标压力值。

⑤线圈驱动回路

用4只场效应管构成线圈的桥式驱动回路，并前置场效应管驱动芯片（MAX620），实现对线圈中电流流动方向的切换，如图2—5所示。在线圈驱动信号（FORWARD／REVERSE）的控制下，来切换线圈中电流的方向。驱动信号FORWARD为线圈正向加压信号，当置高电平时，产生正向电流和磁力，驱动活塞向一侧移动；而驱动信号REVERSE为线圈反向加压信号，当置高电平时，产生负向电流和磁力，驱动活塞向另一侧移动。两驱动信号为低电平时，磁力消失，活塞在复位弹簧力的作用下从两端返回中位。这样活塞在两驱动信号的控制下，以一定的频率做周期性直线往复运动。

3　动作顺序和程序框图

3．1　动作顺序

首先把SW1滑动开关置于ON位，电源接通。调节可变电阻完成对目标压力值的设置。按一下SW2按钮开关，空气压缩机就进入工作状态。空气压缩机运行中输出的压力值由压力传感器检测，并由液晶显示器显示出来。压力值一旦达到目标压力值，就自动停止运行。另外，在工作途中，如果按了SW2按钮开关，空气压缩机也会停止运行。在空气压缩机停止运转状态下，可再次设置目标压力值。工作完毕，应把SW1滑动开关置于OFF位，切断电源。这样空气压缩机在控制装置的控制下，能够自动地追踪设定的目标压力值。

3．2　程序框图

控制装置的整个程序包括PIC和LCD的初始化、A／D采样、数据转换、数据显示、按键响应判断、线圈驱动等子程序，其程序框图如图3—1所示。在这里，利用 PIC16F873的CCP（捕捉／比较／PWM）功能中的比较功能产生中断，来制作出驱动线圈的脉冲信号。在比较工作方式时，16位比较寄存器的值一直与定时器TMR1寄存器的值相比较，一旦相等，就产生中断。该机可精确地产生出时间间隔，而没有时间滞后现象。所以从程序框图中可以看出是用开、关中断来控制空压机运行和停止的。中断许可时产生驱动线圈的脉冲信号，空压机就运行；中断禁止时不产生驱动线圈的脉冲信号，空压机就停止运行。

4　结　论　　

笔者以PIC16F873单片机为核心开发出了价廉、小巧和便于携带的小型空气压缩机的控制装置，实验证明控制性能良好。实现了所研制的小型空气压缩机整体结构的小型、轻量化，使其可内藏于机器人的腕部，实现对手指关节的直接驱动成为可能。

［参考文献］

［1］　李学海．单片机硬、软件及应用讲座［J］．电子世界，2001（1）～2001（6）．