馬媛　楊倩　竇婉婷　張永強(qiáng)

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；壓力控制器；PID控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）03-0110-04

1 緒論

1.1 研究背景及現(xiàn)狀

從2000年以后，機(jī)器人在許多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)器人的研究和應(yīng)用水平成為判斷一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的重要依據(jù)。爬墻機(jī)器人不僅要運(yùn)動(dòng)還要吸附在垂直的墻面上，因此綜合了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)還有吸附技術(shù)。它是在人工作業(yè)有一定危險(xiǎn)發(fā)生的情況下進(jìn)行固定作業(yè)的一種自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)在，人們對它越來越重視。爬墻機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了30多年，在一些科學(xué)家和相關(guān)人員的努力下，其已經(jīng)取得很多突破性的進(jìn)展。日本東京工業(yè)大學(xué)在1989年設(shè)計(jì)研發(fā)出了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，機(jī)器人腳部的吸盤與墻面存在一定的傾斜度，這種情況下，吸盤依然可以很好地吸附在墻上。每個(gè)機(jī)械腿都有一個(gè)電機(jī)，它可以驅(qū)動(dòng)吸盤旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)作用下，機(jī)器人開始移動(dòng)[1]。國內(nèi)對這方面的研究比國外要晚一點(diǎn)。我國工業(yè)機(jī)器人的研究從20世紀(jì)80年代“ 七五”科技攻關(guān)開始起步，現(xiàn)在已經(jīng)掌握機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌道規(guī)劃技術(shù)[2]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功研制出真空單吸盤吸附車輪行走式和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機(jī)器人。

傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人不足之處在于受攀爬墻面平整度的影響，在粗糙的墻面上會(huì)漏氣，吸盤的吸附性能下降，可能出現(xiàn)滑落或者下墜的危險(xiǎn)。還有現(xiàn)有的吸盤吸附控制，在調(diào)節(jié)氣壓時(shí)只是簡單地吸氣，停止。當(dāng)出現(xiàn)漏氣時(shí)不能快速及時(shí)地做出調(diào)整。這都是本文設(shè)計(jì)要解決的問題。針對這些，未來爬墻機(jī)器人的吸附結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)該能適應(yīng)粗糙程度不同的工作環(huán)境，同時(shí)，盡可能地節(jié)省能源。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求

本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)爬墻機(jī)之負(fù)壓吸盤壓力控制器，控制調(diào)節(jié)負(fù)壓吸盤里的氣壓。具體的要求就是實(shí)現(xiàn)在最小能耗的前提條件下，控制吸盤里氣壓，同時(shí)要克服墻面的不平整，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

在要求下的分析與思考：降低能耗即降低氣泵的功率，就是要讓氣泵功率在不同情況下維持在一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹?。針對漏氣的情況，應(yīng)該設(shè)計(jì)一種控制算法使氣泵在接近設(shè)定值時(shí)，維持小功率運(yùn)行。這樣一來，一旦發(fā)生漏氣系統(tǒng)能及時(shí)捕捉到氣壓變化的信號(hào)并進(jìn)行調(diào)整。擬采用基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案。隨著時(shí)間的推遲，氣壓會(huì)變化，相應(yīng)的壓力差也會(huì)變化，但必須滿足下圖所示的變化規(guī)律，才能實(shí)現(xiàn)其功能，如圖1、圖2所示。

負(fù)壓越大，吸盤內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的壓力就會(huì)變大，吸盤與墻面就吸附得越緊，爬墻機(jī)之負(fù)壓吸盤壓力控制系統(tǒng)的主控芯片是單片機(jī)。通過按鍵電路輸入設(shè)定氣壓值還有控制上限和下限的值。由于實(shí)際無法檢測吸盤產(chǎn)生的壓力，根據(jù)壓力是由于吸盤內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差形成的，而且外界大氣壓是已知固定的。所以人們通過檢測和處理吸盤內(nèi)氣壓，依然能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。傳感器模塊對吸盤里的氣壓進(jìn)行檢測及處理后，將信號(hào)傳入單片機(jī)，然后與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較。當(dāng)氣壓高于設(shè)定上限值，氣泵全速抽氣；當(dāng)氣壓低于設(shè)定的下限值時(shí)，氣泵停止運(yùn)行；當(dāng)氣壓介于設(shè)定上限和下限之間時(shí)，設(shè)計(jì)一種算法，依據(jù)檢測氣壓與目標(biāo)氣壓的偏差大小，智能調(diào)節(jié)吸盤里的氣壓[3]。

該方案的可行性分析：采用基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的壓力控制器，主要用到人們學(xué)習(xí)過程中接觸到的微處理器單片機(jī)，它具有小巧、靈活、控制功能全、控制效果好，而且價(jià)格不昂貴，作為主要控制芯片，設(shè)計(jì)好控制程序，連接上外部的氣泵和壓力傳感器，并協(xié)調(diào)它們按照執(zhí)行程序的順序工作，就能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。所以這個(gè)方案可以實(shí)施。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 框圖各模塊功能

壓力傳感器：傳感器不僅是檢測還有處理轉(zhuǎn)換。所以該模塊就是檢測吸盤里的氣壓值，并轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)，獲取被控對象為計(jì)算處理做準(zhǔn)備[4]。

A/D轉(zhuǎn)換：對電流或電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字代碼，方便傳入單片機(jī)比較計(jì)算。

單片機(jī)最小系統(tǒng)：這個(gè)模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，包括c52單片機(jī)。傳感器處理好的氣壓數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)傳送進(jìn)來的氣壓在哪個(gè)分段范圍，調(diào)用對應(yīng)的控制程序并且執(zhí)行它[5]。當(dāng)氣壓大小介于上限和下限之間單片機(jī)就調(diào)用設(shè)計(jì)好的pid算法程序計(jì)算控制輸出值。這種情況下，最終都是用PWM調(diào)速的方式，調(diào)節(jié)氣泵工作。

鍵盤：計(jì)算好的設(shè)定值，上限還有下限值就是通過人手按下按鍵設(shè)置在單片機(jī)里面，以便后面的計(jì)算用到。

顯示裝置：按鍵輸入設(shè)置的氣壓值和傳感器檢測的氣壓值顯示在顯示屏上，便于人直觀地看到氣壓的變化。

2.3 主要元器件要求

單片機(jī)：由于控制程序采用的pid算法計(jì)算量大，且需要的程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較一般的設(shè)計(jì)要求大一些。

氣泵：氣泵在工作時(shí)，時(shí)間較長，所以要選用性能、安全性較好的氣泵。在本次設(shè)計(jì)，是要模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)要求的功能，所以選用一般的氣泵，自身帶有一段塑料軟管，便于氣泵與吸盤形成的密閉空間連接，最多可以產(chǎn)生40kpa的負(fù)壓[6]。這里的塑料管盡量用那些管壁比較厚的，因?yàn)槌闅獾臅r(shí)候，氣管里面的氣壓也比大氣壓低，有可能在壓力差的作用下氣管堵塞，這樣就影響了抽氣繼續(xù)進(jìn)行下去。

氣壓傳感器：在小的密閉環(huán)境內(nèi)，氣泵抽氣氣壓變化會(huì)很快，處理器計(jì)算時(shí)是采樣計(jì)算，一般采樣的周期都很小，而在短時(shí)間內(nèi)氣壓變化并不是很明顯，如果傳感器的分辨率不高，可能檢測不到氣壓在變化，就會(huì)產(chǎn)生許多誤差。

吸盤：吸盤要吸附在墻面上，不僅僅是產(chǎn)生的壓力足夠大能將吸盤緊緊地吸附在墻面上，還要吸盤與墻面的接觸面密封性好[7]。

3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路

STC89C52單片機(jī)是主控芯片，氣壓傳感器將檢測信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出，再傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。處理的過程分三種情況：檢測氣壓比設(shè)定下限小時(shí)，氣泵停止運(yùn)行；檢測氣壓大于設(shè)定上限時(shí)，氣泵全速啟動(dòng)；當(dāng)介于兩者之間時(shí)用PID算法控制輸出。

3.1 最小單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路這三個(gè)部分組成。

3.1.1 晶振電路

晶振電路實(shí)際上就是把一個(gè)電阻和電容并聯(lián)在一個(gè)電路中，然后再串聯(lián)一個(gè)電容。它的作用是給微處理系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)[8]。

3.1.2 復(fù)位電路

單片機(jī)在運(yùn)行一段程序后，如果這個(gè)過程中發(fā)生故障，需要重新啟動(dòng)運(yùn)行。這個(gè)時(shí)候，直接給單片機(jī)斷電再重新上電運(yùn)行程序，存儲(chǔ)器里的程序可能會(huì)丟失，造成嚴(yán)重的后果，所以加入復(fù)位電路很重要。按下復(fù)位鍵，處理器和其他的器件就處于固定的原始狀態(tài)，然后從這個(gè)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。8052處理器的RST引腳顯示高電平的時(shí)候，表示該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)位和初始化，處理器的復(fù)位實(shí)質(zhì)上就是SP變成07H，SFR 都是0，P0到P3端口都為0FFH[9]。單片機(jī)重新運(yùn)行是從0000H開始執(zhí)行程序。圖5分別是上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位，電阻和電容串聯(lián)，與單片機(jī)的RST引腳相連，電阻和電容串聯(lián)的電路中電容的電壓不能突變。所以在上電的時(shí)候，單片機(jī)的RST端口會(huì)維持一段時(shí)間的低電平。當(dāng)電源向電容充電的時(shí)候，電容的電壓會(huì)升高，慢慢變成高電平，就完成了復(fù)位。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

本次設(shè)計(jì)是要在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氣壓，因此對于氣泵的控制就不僅僅是簡單的啟動(dòng)和停止。單片機(jī)用pid算法計(jì)算出控制輸出值，改變氣泵的電壓，泵腔內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，類似于直流電機(jī)的數(shù)字調(diào)速。結(jié)合大三所學(xué)電機(jī)拖動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，選用改變PWM頻率的方式，對電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）其實(shí)就是改變占空比，改變電樞兩端的電壓，從而執(zhí)行器的功率會(huì)變小或者變大，PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等[10]。反映在電機(jī)上就是不同的電樞電壓電機(jī)會(huì)有不同的轉(zhuǎn)速。

對于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)合本次設(shè)計(jì)用到的氣泵要求驅(qū)動(dòng)電路的電壓范圍在0-6V，同時(shí)要提高電路的效率，保證功率器件的開關(guān)狀態(tài)，防止共態(tài)導(dǎo)通，即負(fù)載的兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)形成短路，損壞器件[11]。

由于設(shè)計(jì)中用到的氣泵最高電壓僅12V，電流也非常小。電機(jī)本身的阻值很小，如果外部接的電阻太大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)變得太快，這就降低了驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)效率，造成電能的浪費(fèi)。所以要盡量減小電機(jī)回路提升電機(jī)的性能。MOS管特性是，Vgs大于一定值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接地的情況，低端驅(qū)動(dòng)，這是NMOS特性。它的PMOS特性是Vgs小于一定值就會(huì)導(dǎo)通，適合于源極接Vcc時(shí)的情況，但由于導(dǎo)通電阻大，能代替的種類少，所以一般選用NMOS特性，柵極電壓4-10V就可以。它的開關(guān)特性好，用于開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在這次設(shè)計(jì)中，PWM 電路提供給MOS管驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)氣泵工作。MOS管工作狀態(tài)的一些基本參數(shù)為電壓：-20-20V；最大工作溫度：150-175℃；柵極電容：1-3PF。

3.3 數(shù)碼管顯示電路

相比于LCD這種比較高端的顯示器，數(shù)碼管的顯示可能沒有LCD那么準(zhǔn)確。但由于本次設(shè)計(jì)需要顯示的只有數(shù)字，數(shù)碼管就能很好地實(shí)現(xiàn)這一功能，而且數(shù)碼管的花費(fèi)更為低廉，是個(gè)很好的選擇。

數(shù)碼管中的發(fā)光二極管一般有兩種接法：

1） 全部發(fā)光二極管的陽極連接在一起，這就是共陽極連接法。

2） 相反的，全部發(fā)光二極管的陰極連接在一起，這種方法叫作共陰極連接法。

數(shù)碼管發(fā)光二極管亮或暗實(shí)質(zhì)就是不同電平的組合，單片機(jī)給數(shù)碼管提供不同的數(shù)字代碼，即字形代碼，顯示出不同的數(shù)字[12]。當(dāng)某一個(gè)發(fā)光二極管接通時(shí)，相應(yīng)地亮起數(shù)碼管的某一點(diǎn)或者某一畫，憑借發(fā)光二極管不同的亮暗組合產(chǎn)生數(shù)字、字母等。

3.4 按鍵電路

用三個(gè)獨(dú)立式按鍵，它們之間的工作不會(huì)相互干擾。第一個(gè)按鍵按下是切換（設(shè)置初始值，檢測值，上限，下限來回切換）；第二個(gè)按鍵按下數(shù)值加1；第三個(gè)按鍵按下數(shù)值減1。

3.5 氣壓傳感器連接

SDA和SCL引腳接電源，GND接地，通過I2C總線與微處理器直接相連，安裝在與吸盤內(nèi)部氣壓相同的位置，即可測量氣壓。

3.6 系統(tǒng)電路原理圖

4 總結(jié)

論文是負(fù)壓吸盤壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)對微型真空泵進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓吸盤里的氣壓調(diào)節(jié)，使吸盤很好地吸附在墻面上。通過本次設(shè)計(jì)，模擬驗(yàn)證了單片機(jī)控制器能對吸盤里的氣壓按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。由此得出結(jié)論，基于單片機(jī)的壓力控制器，具有很好的控制、調(diào)節(jié)特性。同時(shí)，價(jià)格低廉，適合在負(fù)壓吸盤壓力控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

【通聯(lián)編輯：梁書】