單片機對氣泵控制實例的剖析

李 東，季勝賢，彭 威，陳柄堯，張海鑫

（海軍工程大學，武漢 430033）

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單片機對氣泵控制實例的剖析

李 東，季勝賢，彭 威，陳柄堯，張海鑫

（海軍工程大學，武漢 430033）

摘 要：介紹了單片機對氣泵控制的組件及相關(guān)電路組成，分析了氣泵控制系統(tǒng)；搭建了相關(guān)的模型，實現(xiàn)了通過控制單片機實現(xiàn)狀態(tài)改變的“智慧教室”；對氣體使用進行了相關(guān)的計算。并在氣泵實物的基礎(chǔ)上探討了不同類型泵的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：單片機控制 氣泵 模型拓展

0 引言

單片機是一種簡單高效的控制設(shè)備，具有性價比高，集成度高，體積小，可靠性好，開發(fā)周期短、易于產(chǎn)品化的特點。用單片機控制氣泵，可大大減少控制成本，提高控制精度。隨著社會發(fā)展的智能化，單片機這種簡單高效的控制設(shè)備，應(yīng)用越來越廣泛，運行速度越來越快，處理數(shù)據(jù)能力越來越強大。在現(xiàn)代醫(yī)療，豪華轎車，導彈控制等智能設(shè)備上的使用十分廣泛。加以各種傳感儀器的迅速發(fā)展，單片機的功能隨之拓展，既可以實現(xiàn)pwm閉環(huán)控制，如魚雷等自主作業(yè)航行器，也可以通過上位機發(fā)送信號，進行及時的反饋控制，比如rov，就可以通過臍帶傳輸數(shù)據(jù)控制電機，在深海進行作業(yè)。本文通過主要根據(jù)自行研制的“智慧教室”，介紹了對氣泵控制的單片機結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的電路構(gòu)成，計算了用氣量便于對氣缸和氣泵進行選擇。

1 設(shè)計思路

針對學生們對課堂教學的需求以及傳統(tǒng)教室存在的不足，設(shè)計出了一種通過調(diào)節(jié)“單體”來組合成不同功能需求的教室?！皢误w”為智慧教室的基本組成單元，一間教室根據(jù)面積大小由若干“單體”組成，平時處于基準面即教室地板面高度，圖1為單體的結(jié)構(gòu)。通過對“單體”不同的高度升降以及排列組合方式，從而實現(xiàn)教室的自由布置、功能組合，如合唱室、會議室、普通授課教室、實驗室、乒乓球室等。簡單地說，這是一個通過單片機控制氣泵從而實現(xiàn)地面升降的創(chuàng)意，通過不同位置地面高度的不同，來實現(xiàn)不同功能的“智慧”教室，“智慧教室”的虛擬圖如圖2所示。

“智慧”教室演示模型整體分為三部分：機械部分、電路控制部分、動力部分，整體由多個“單體”構(gòu)成，通過排列拼接實現(xiàn)教室布局。中央控制氣缸升降實現(xiàn)“單體”完成教室的變化。利用單片機進行控制，就是通過控制氣泵來改變氣缸的姿態(tài)，從而實現(xiàn)功能?！皢误w”模塊由雙軸氣缸實現(xiàn)升降，通過單片機控制，動力由空壓機壓縮空氣控制氣缸的升降，使用行程開關(guān)實現(xiàn)不同位置的升降。整體上，由若干“單體”構(gòu)成一間教室，由單片機里的程序?qū)崿F(xiàn)不同的排列組合。

圖1單體原理演示圖（仿真）

圖2智慧教室（虛擬）

2 智慧教室電路控制部分

整個智慧教室是由若干個“單體”模塊組成的，每個單體都可以做出單獨的動作?！皢误w”模塊由雙軸氣缸實現(xiàn)升降，通過單片機控制，動力由空壓機壓縮空氣控制氣缸的升降，使用行程開關(guān)實現(xiàn)不同位置的升降。整體上，由若干“單體”構(gòu)成一間教室，由單片機里的程序?qū)崿F(xiàn)不同的排列組合。在模型中桌面采用100 mm×100 mm×3 mm厚亞克力板，考慮到教室變化中有方向的變化，桌面下開有等分的四個儲物空間，由四隔板分開，分別朝向不同的方向。

2.1氣缸與行程開關(guān)

采用市面常見的技術(shù)成熟的氣壓缸TTN10/100，行程100 mm，鋁合金制，內(nèi)有活塞，活塞上套有磁環(huán)用于與行程開關(guān)感應(yīng)，在單體中起升降、支撐作用。

氣缸通過活塞將氣體上下分開，當下部通氣時上氣管排氣，壓縮氣體推動氣缸軸上升，當上氣管通氣時，下氣管排氣，壓縮氣體推動氣缸軸下降實現(xiàn)相反運動，從而實現(xiàn)氣缸的升降。

采用市面常見的技術(shù)成熟的CS1—U磁性行程開關(guān)，用于感應(yīng)氣缸內(nèi)活塞上磁環(huán)的運動，通電，感應(yīng)信號并發(fā)出信號。

控制部分包括單片機，繼電器，電磁閥，行程開關(guān)等。單片機通過電信號控制繼電器開合，進而控制電磁閥通氣與閉氣。限位開關(guān)安裝于氣缸外側(cè)，感應(yīng)氣缸內(nèi)部磁環(huán)運動位置反饋信號至單片機，單片機發(fā)出指令控制升降不同高度，可根據(jù)實際需要進行增加。

本單片機有16個I/O輸入端口，16個I/O輸出端口，4個模擬量輸入端口，4個模擬量輸出端口，可以進行串口通信，RS-485通信，CAN總線通信，以太網(wǎng)通信。而在本模型中只用到了16 個I/O輸入與16個I/O輸出，其中模擬量的輸入輸出端口可以用來拓展氣缸位置任意位置（現(xiàn)在模型里氣缸在中間停止時通過行程開關(guān)來控制，但可以通過激光測距或者其它傳感器來共同控制氣缸的位置），通信部分可以進行多個單片機模塊的連接，或者可以連接上位機，用上位機來控制單片機進而來控制氣缸，可以讓氣缸的模式變化更加豐富。這個單片機只是一個示例，在不同的需求的時候，可以應(yīng)用不同的單片機。

模型和實際應(yīng)用中控制部分的特點：

1）輸入輸出端口多，邏輯簡單；

2）控制的各個模塊相互聯(lián)系，控制效率高。

2.2電路部分

按鈕電路圖如圖3。

圖3按鈕電路圖

每一個按鈕使用一個上拉電阻，使在按鈕沒有按下去的時候呈現(xiàn)高電平（24 V），在按下去之后，與低電平相連接，輸出端呈現(xiàn)低電平（0 V）。

開關(guān)量隔離輸入電路：通過光耦隔離（圖4）使輸入電路部分與單片機模塊沒有物理連接，從而保護單片機。

IIC接口擴展開關(guān)量輸入模塊：通過IIC接口拓展開關(guān)（圖5）量輸入，大大增加了開關(guān)量輸入的個數(shù)，從而滿足控制的需要。

圖4光耦隔離原理圖

2.3輸出部分

A）IIC擴展開關(guān)量輸出模塊：通過IIC接口拓展開關(guān)量輸出，增加了開關(guān)量輸出的個數(shù)。

圖5 PCF8574T原理圖

圖6 繼電器輸出原理圖

B）繼電器輸出（圖6）：繼電器通過開漏輸出的控制方式，可以適應(yīng)各種型號的電磁（繼電器輸出的電壓和功率完全是由外部輸入的電源決定，并不是由單片機的功率決定）

C）電磁閥部分：電磁閥左右各有一個線圈通過對電磁閥線圈通電的開關(guān)控制電磁閥內(nèi)部流經(jīng)氣體的開合，實現(xiàn)氣缸的升降與停止。電磁閥共有3種模式：1、左開右關(guān)，氣缸上升；2、左關(guān)右開，氣缸下降；3、左右齊關(guān)，氣缸保持關(guān)閉電磁閥時的狀態(tài)。

2.4控制部分

控制部分的控制流程如下圖所示：

圖7 總體控制部分

單片機的控制過程如圖8。

圖8控制流程圖

在接受按鈕的開關(guān)量之后，先通過光耦，傳給兩片PCF8574T芯片(地址為0X40，0X42），PCF8574T再通過IIC總線將信息傳遞給LM3S8938，經(jīng)過芯片分析，將信息傳送給兩片PCF8574T(地址為0X46,0X48)，PCF8574T(通過繼電器的閉合與斷開輸出信號，控制氣缸是升降。

2.5動力部分

動力由空壓機，導氣管，電磁閥，氣缸（如圖9）等組成。空壓機通電后，壓縮空氣做功，提供系統(tǒng)整體的動力輸出。導氣管與電磁閥相連，電路部分控制電磁閥開合決定氣體流向控制氣缸升降，氣缸升降帶動桌面的升降。

每個模塊都是單獨的一個整體，單片機將每個模塊聯(lián)系到一起，通過信號的改變來改變整個智慧教室的作用。這樣的控制方式簡單有效，并且可以減少發(fā)生故障的概率。

圖9 氣缸

3 相關(guān)計算與數(shù)據(jù)

耗氣量計算方法：

空氣壓縮機排氣量的測定，系按一機部化工通用機械專業(yè)標準TH18-58進行，排氣量計算公式是：

式中：Q0—壓縮機的排氣量(米^3/分)

C—噴嘴系數(shù)

D—噴嘴直徑

H—噴嘴前后的壓力差(毫米水柱)

氣缸最大耗氣量計算公式：

式中：Qmax— 最大耗氣量(L/min)

D—缸徑(cm)

S —氣缸行程(cm)

t — 氣缸一次夾緊(或松開)動作時間

(s),(夾緊和松開的時間一般認為相等)

p— 工作壓力(MPa)

氣缸全部耗氣量還包括非工作容積(含缸內(nèi)及氣管等，這大概占實際耗氣量的20%-50%)，所以需將耗氣量計算結(jié)果乘以CBWEE經(jīng)驗系數(shù)1.25至2。一般取2。在0.5 MPa壓力下氣管流量近似計算公式：

式中：Q- 氣管流量(L/min)；

S- 氣管內(nèi)徑截面積(mm2)

為滿足不同的需求，改變氣缸的大小和氣泵的功率，可以更好地適應(yīng)不同環(huán)境下的需求。特別是為滿足一些大功率的需要?？梢圆捎枚啾脝胃椎姆绞絹砑哟蠊β?，以保證安全性和高效性。

4 推廣應(yīng)用

單片機控制氣泵的具有很強的實用性，在加載不同的傳感器后，可以改變其功能。比如利用單片機減搖。把船用陀螺儀的船體狀態(tài)數(shù)據(jù)加載到單片機上，通過單片機控制氣泵改變氣缸的狀態(tài)，在艦船上產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的平臺。這個措施可以應(yīng)用在一些對穩(wěn)定性要求較高的場合或設(shè)備上，比如在海上進行的緊急手術(shù)，船舶油柜的安全處理等。單片機可以進行短時大數(shù)據(jù)處理，可及時做出相應(yīng)反應(yīng)，對抵抗一定級別的晃動具有十分積極的作用。

在對實例分析中不難看出，利用單片機對泵裝置控制的思想不僅生活中應(yīng)用價值很高，還可以廣泛應(yīng)用于軍事。隨著技術(shù)的更新，更多層面上可以利用這樣一種方式對空間進行更加有效地利用，不僅節(jié)省人力物力，而且具有非常高的可靠性。

參考資料：

[1]成大先主編.機械設(shè)計手冊.單行本.機械傳動.北京:化學工業(yè)出版社,2004.1.

[2]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,肖廣德.開放教育研究.北京:北京師范大學- 知識工程研究中心,2003,(1):23-25

[3]丁祖榮 主編.流體力學.北京:高等教育出版社,2003.

[4]吳慎山主編.電子線路設(shè)計與實踐.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

Analysis on the Control of Gas Pump with SCM

Li Dong,Ji Shengxian,Peng Wei,Chen Bingyao,Zhang Haioxin
(Naval University of Engineering,Wuhan 430033 China)

Abstract:This paper describes control components and related circuits of gas pump with the SCM,analyzes the pump control system,builds a relevant model,realizes "smart classroom" whose state is changed by controlling the MCU,and calculates the amount of gas consumption.The advantages and disadvantages of different types of pumps are discussed according to real pump.

Keywords:SCM; air pump; model extension

作者簡介：李東(1991-)，男，在讀大學生。專業(yè)方向：機械工程。

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0038-04