爬墻機之負壓吸盤壓力控制器設計

馬媛　楊倩　竇婉婷　張永強

關鍵詞：單片機；壓力控制器；PID控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0110-04

1 緒論

1.1 研究背景及現(xiàn)狀

從2000年以后，機器人在許多行業(yè)中得到了廣泛的應用和發(fā)展，機器人的研究和應用水平成為判斷一個國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要依據(jù)。爬墻機器人不僅要運動還要吸附在垂直的墻面上，因此綜合了機器人的運動控制技術還有吸附技術。它是在人工作業(yè)有一定危險發(fā)生的情況下進行固定作業(yè)的一種自動化機械設備?，F(xiàn)在，人們對它越來越重視。爬墻機器人已經(jīng)發(fā)展了30多年，在一些科學家和相關人員的努力下，其已經(jīng)取得很多突破性的進展。日本東京工業(yè)大學在1989年設計研發(fā)出了吸盤式磁吸附爬壁機器人，機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。每個機械腿都有一個電機，它可以驅動吸盤旋轉，在這個作用下，機器人開始移動[1]。國內(nèi)對這方面的研究比國外要晚一點。我國工業(yè)機器人的研究從20世紀80年代“ 七五”科技攻關開始起步，現(xiàn)在已經(jīng)掌握機器人本體的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌道規(guī)劃技術[2]。哈爾濱工業(yè)大學已經(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器人。

傳統(tǒng)爬壁機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。還有現(xiàn)有的吸盤吸附控制，在調(diào)節(jié)氣壓時只是簡單地吸氣，停止。當出現(xiàn)漏氣時不能快速及時地做出調(diào)整。這都是本文設計要解決的問題。針對這些，未來爬墻機器人的吸附結構和性能應該能適應粗糙程度不同的工作環(huán)境，同時，盡可能地節(jié)省能源。

1.2 設計目標和要求

本次設計是設計爬墻機之負壓吸盤壓力控制器，控制調(diào)節(jié)負壓吸盤里的氣壓。具體的要求就是實現(xiàn)在最小能耗的前提條件下，控制吸盤里氣壓，同時要克服墻面的不平整，能夠適應復雜的工作環(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恰當?shù)闹怠ａ槍β獾那闆r，應該設計一種控制算法使氣泵在接近設定值時，維持小功率運行。這樣一來，一旦發(fā)生漏氣系統(tǒng)能及時捕捉到氣壓變化的信號并進行調(diào)整。擬采用基于單片機的設計方案。隨著時間的推遲，氣壓會變化，相應的壓力差也會變化，但必須滿足下圖所示的變化規(guī)律，才能實現(xiàn)其功能，如圖1、圖2所示。

負壓越大，吸盤內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的壓力就會變大，吸盤與墻面就吸附得越緊，爬墻機之負壓吸盤壓力控制系統(tǒng)的主控芯片是單片機。通過按鍵電路輸入設定氣壓值還有控制上限和下限的值。由于實際無法檢測吸盤產(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，依然能夠達到設計要求。傳感器模塊對吸盤里的氣壓進行檢測及處理后，將信號傳入單片機，然后與設定的目標值進行比較。當氣壓高于設定上限值，氣泵全速抽氣；當氣壓低于設定的下限值時，氣泵停止運行；當氣壓介于設定上限和下限之間時，設計一種算法，依據(jù)檢測氣壓與目標氣壓的偏差大小，智能調(diào)節(jié)吸盤里的氣壓[3]。

該方案的可行性分析：采用基于單片機設計的壓力控制器，主要用到人們學習過程中接觸到的微處理器單片機，它具有小巧、靈活、控制功能全、控制效果好，而且價格不昂貴，作為主要控制芯片，設計好控制程序，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，就能實現(xiàn)設計的要求。所以這個方案可以實施。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)結構框圖

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換。所以該模塊就是檢測吸盤里的氣壓值，并轉換成電流或電壓信號，獲取被控對象為計算處理做準備[4]。

A/D轉換：對電流或電壓信號進行轉換，轉換成二進制的數(shù)字代碼，方便傳入單片機比較計算。

單片機最小系統(tǒng)：這個模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，包括c52單片機。傳感器處理好的氣壓數(shù)字信號傳入單片機，單片機根據(jù)傳送進來的氣壓在哪個分段范圍，調(diào)用對應的控制程序并且執(zhí)行它[5]。當氣壓大小介于上限和下限之間單片機就調(diào)用設計好的pid算法程序計算控制輸出值。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：計算好的設定值，上限還有下限值就是通過人手按下按鍵設置在單片機里面，以便后面的計算用到。

顯示裝置：按鍵輸入設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：由于控制程序采用的pid算法計算量大，且需要的程序存儲和數(shù)據(jù)存儲空間較一般的設計要求大一些。

氣泵：氣泵在工作時，時間較長，所以要選用性能、安全性較好的氣泵。在本次設計，是要模擬驗證設計能否實現(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的負壓[6]。這里的塑料管盡量用那些管壁比較厚的，因為抽氣的時候，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很快，處理器計算時是采樣計算，一般采樣的周期都很小，而在短時間內(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 設計系統(tǒng)硬件電路

STC89C52單片機是主控芯片，氣壓傳感器將檢測信號進行模數(shù)轉換后輸出，再傳入單片機進行處理。處理的過程分三種情況：檢測氣壓比設定下限小時，氣泵停止運行；檢測氣壓大于設定上限時，氣泵全速啟動；當介于兩者之間時用PID算法控制輸出。

3.1 最小單片機系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)一般由單片機、時鐘電路和復位電路這三個部分組成。

3.1.1 晶振電路

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

3.1.2 復位電路

單片機在運行一段程序后，如果這個過程中發(fā)生故障，需要重新啟動運行。這個時候，直接給單片機斷電再重新上電運行程序，存儲器里的程序可能會丟失，造成嚴重的后果，所以加入復位電路很重要。按下復位鍵，處理器和其他的器件就處于固定的原始狀態(tài)，然后從這個狀態(tài)繼續(xù)運行。8052處理器的RST引腳顯示高電平的時候，表示該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了復位和初始化，處理器的復位實質(zhì)上就是SP變成07H，SFR 都是0，P0到P3端口都為0FFH[9]。單片機重新運行是從0000H開始執(zhí)行程序。圖5分別是上電自動復位和按鍵復位，電阻和電容串聯(lián)，與單片機的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。所以在上電的時候，單片機的RST端口會維持一段時間的低電平。當電源向電容充電的時候，電容的電壓會升高，慢慢變成高電平，就完成了復位。

3.2 驅動電路

本次設計是要在一定范圍內(nèi)動態(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和停止。單片機用pid算法計算出控制輸出值，改變氣泵的電壓，泵腔內(nèi)的電機轉速發(fā)生改變，類似于直流電機的數(shù)字調(diào)速。結合大三所學電機拖動的相關知識，選用改變PWM頻率的方式，對電機進行PWM調(diào)速。

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

對于PWM調(diào)速的電機驅動電路，結合本次設計用到的氣泵要求驅動電路的電壓范圍在0-6V，同時要提高電路的效率，保證功率器件的開關狀態(tài)，防止共態(tài)導通，即負載的兩個功率器件同時導通，否則會形成短路，損壞器件[11]。

由于設計中用到的氣泵最高電壓僅12V，電流也非常小。電機本身的阻值很小，如果外部接的電阻太大，電機的轉速會變得太快，這就降低了驅動電路的驅動效率，造成電能的浪費。所以要盡量減小電機回路提升電機的性能。MOS管特性是，Vgs大于一定值就會導通，適用于源極接地的情況，低端驅動，這是NMOS特性。它的PMOS特性是Vgs小于一定值就會導通，適合于源極接Vcc時的情況，但由于導通電阻大，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。它的開關特性好，用于開關電源或者馬達驅動。在這次設計中，PWM 電路提供給MOS管驅動電壓，驅動氣泵工作。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那么準確。但由于本次設計需要顯示的只有數(shù)字，數(shù)碼管就能很好地實現(xiàn)這一功能，而且數(shù)碼管的花費更為低廉，是個很好的選擇。

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)光二極管亮或暗實質(zhì)就是不同電平的組合，單片機給數(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]。當某一個發(fā)光二極管接通時，相應地亮起數(shù)碼管的某一點或者某一畫，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

用三個獨立式按鍵，它們之間的工作不會相互干擾。第一個按鍵按下是切換（設置初始值，檢測值，上限，下限來回切換）；第二個按鍵按下數(shù)值加1；第三個按鍵按下數(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

論文是負壓吸盤壓力控制系統(tǒng)的設計，通過單片機對微型真空泵進行控制，進而實現(xiàn)對負壓吸盤里的氣壓調(diào)節(jié)，使吸盤很好地吸附在墻面上。通過本次設計，模擬驗證了單片機控制器能對吸盤里的氣壓按照設計要求進行準確調(diào)節(jié)。由此得出結論，基于單片機的壓力控制器，具有很好的控制、調(diào)節(jié)特性。同時，價格低廉，適合在負壓吸盤壓力控制領域廣泛應用。

【通聯(lián)編輯：梁書】