单片机对气泵控制实例的剖析

李 东，季胜贤，彭 威，陈柄尧，张海鑫

（海军工程大学，武汉 430033）



单片机对气泵控制实例的剖析

李 东，季胜贤，彭 威，陈柄尧，张海鑫

（海军工程大学，武汉 430033）

摘 要：介绍了单片机对气泵控制的组件及相关电路组成，分析了气泵控制系统；搭建了相关的模型，实现了通过控制单片机实现状态改变的“智慧教室”；对气体使用进行了相关的计算。并在气泵实物的基础上探讨了不同类型泵的优缺点。

关键词：单片机控制 气泵 模型拓展

0 引言

单片机是一种简单高效的控制设备，具有性价比高，集成度高，体积小，可靠性好，开发周期短、易于产品化的特点。用单片机控制气泵，可大大减少控制成本，提高控制精度。随着社会发展的智能化，单片机这种简单高效的控制设备，应用越来越广泛，运行速度越来越快，处理数据能力越来越强大。在现代医疗，豪华轿车，导弹控制等智能设备上的使用十分广泛。加以各种传感仪器的迅速发展，单片机的功能随之拓展，既可以实现pwm闭环控制，如鱼雷等自主作业航行器，也可以通过上位机发送信号，进行及时的反馈控制，比如rov，就可以通过脐带传输数据控制电机，在深海进行作业。本文通过主要根据自行研制的“智慧教室”，介绍了对气泵控制的单片机结构，以及相关的电路构成，计算了用气量便于对气缸和气泵进行选择。

1 设计思路

针对学生们对课堂教学的需求以及传统教室存在的不足，设计出了一种通过调节“单体”来组合成不同功能需求的教室。“单体”为智慧教室的基本组成单元，一间教室根据面积大小由若干“单体”组成，平时处于基准面即教室地板面高度，图1为单体的结构。通过对“单体”不同的高度升降以及排列组合方式，从而实现教室的自由布置、功能组合，如合唱室、会议室、普通授课教室、实验室、乒乓球室等。简单地说，这是一个通过单片机控制气泵从而实现地面升降的创意，通过不同位置地面高度的不同，来实现不同功能的“智慧”教室，“智慧教室”的虚拟图如图2所示。

“智慧”教室演示模型整体分为三部分：机械部分、电路控制部分、动力部分，整体由多个“单体”构成，通过排列拼接实现教室布局。中央控制气缸升降实现“单体”完成教室的变化。利用单片机进行控制，就是通过控制气泵来改变气缸的姿态，从而实现功能。“单体”模块由双轴气缸实现升降，通过单片机控制，动力由空压机压缩空气控制气缸的升降，使用行程开关实现不同位置的升降。整体上，由若干“单体”构成一间教室，由单片机里的程序实现不同的排列组合。

图1单体原理演示图（仿真）

图2智慧教室（虚拟）

2 智慧教室电路控制部分

整个智慧教室是由若干个“单体”模块组成的，每个单体都可以做出单独的动作。“单体”模块由双轴气缸实现升降，通过单片机控制，动力由空压机压缩空气控制气缸的升降，使用行程开关实现不同位置的升降。整体上，由若干“单体”构成一间教室，由单片机里的程序实现不同的排列组合。在模型中桌面采用100 mm×100 mm×3 mm厚亚克力板，考虑到教室变化中有方向的变化，桌面下开有等分的四个储物空间，由四隔板分开，分别朝向不同的方向。

2.1气缸与行程开关

采用市面常见的技术成熟的气压缸TTN10/100，行程100 mm，铝合金制，内有活塞，活塞上套有磁环用于与行程开关感应，在单体中起升降、支撑作用。

气缸通过活塞将气体上下分开，当下部通气时上气管排气，压缩气体推动气缸轴上升，当上气管通气时，下气管排气，压缩气体推动气缸轴下降实现相反运动，从而实现气缸的升降。

采用市面常见的技术成熟的CS1—U磁性行程开关，用于感应气缸内活塞上磁环的运动，通电，感应信号并发出信号。

控制部分包括单片机，继电器，电磁阀，行程开关等。单片机通过电信号控制继电器开合，进而控制电磁阀通气与闭气。限位开关安装于气缸外侧，感应气缸内部磁环运动位置反馈信号至单片机，单片机发出指令控制升降不同高度，可根据实际需要进行增加。

本单片机有16个I/O输入端口，16个I/O输出端口，4个模拟量输入端口，4个模拟量输出端口，可以进行串口通信，RS-485通信，CAN总线通信，以太网通信。而在本模型中只用到了16 个I/O输入与16个I/O输出，其中模拟量的输入输出端口可以用来拓展气缸位置任意位置（现在模型里气缸在中间停止时通过行程开关来控制，但可以通过激光测距或者其它传感器来共同控制气缸的位置），通信部分可以进行多个单片机模块的连接，或者可以连接上位机，用上位机来控制单片机进而来控制气缸，可以让气缸的模式变化更加丰富。这个单片机只是一个示例，在不同的需求的时候，可以应用不同的单片机。

模型和实际应用中控制部分的特点：

1）输入输出端口多，逻辑简单；

2）控制的各个模块相互联系，控制效率高。

2.2电路部分

按钮电路图如图3。

图3按钮电路图

每一个按钮使用一个上拉电阻，使在按钮没有按下去的时候呈现高电平（24 V），在按下去之后，与低电平相连接，输出端呈现低电平（0 V）。

开关量隔离输入电路：通过光耦隔离（图4）使输入电路部分与单片机模块没有物理连接，从而保护单片机。

IIC接口扩展开关量输入模块：通过IIC接口拓展开关（图5）量输入，大大增加了开关量输入的个数，从而满足控制的需要。

图4光耦隔离原理图

2.3输出部分

A）IIC扩展开关量输出模块：通过IIC接口拓展开关量输出，增加了开关量输出的个数。

图5 PCF8574T原理图

图6 继电器输出原理图

B）继电器输出（图6）：继电器通过开漏输出的控制方式，可以适应各种型号的电磁（继电器输出的电压和功率完全是由外部输入的电源决定，并不是由单片机的功率决定）

C）电磁阀部分：电磁阀左右各有一个线圈通过对电磁阀线圈通电的开关控制电磁阀内部流经气体的开合，实现气缸的升降与停止。电磁阀共有3种模式：1、左开右关，气缸上升；2、左关右开，气缸下降；3、左右齐关，气缸保持关闭电磁阀时的状态。

2.4控制部分

控制部分的控制流程如下图所示：

图7 总体控制部分

单片机的控制过程如图8。

图8控制流程图

在接受按钮的开关量之后，先通过光耦，传给两片PCF8574T芯片(地址为0X40，0X42），PCF8574T再通过IIC总线将信息传递给LM3S8938，经过芯片分析，将信息传送给两片PCF8574T(地址为0X46,0X48)，PCF8574T(通过继电器的闭合与断开输出信号，控制气缸是升降。

2.5动力部分

动力由空压机，导气管，电磁阀，气缸（如图9）等组成。空压机通电后，压缩空气做功，提供系统整体的动力输出。导气管与电磁阀相连，电路部分控制电磁阀开合决定气体流向控制气缸升降，气缸升降带动桌面的升降。

每个模块都是单独的一个整体，单片机将每个模块联系到一起，通过信号的改变来改变整个智慧教室的作用。这样的控制方式简单有效，并且可以减少发生故障的概率。

图9 气缸

3 相关计算与数据

耗气量计算方法：

空气压缩机排气量的测定，系按一机部化工通用机械专业标准TH18-58进行，排气量计算公式是：

式中：Q0—压缩机的排气量(米^3/分)

C—喷嘴系数

D—喷嘴直径

H—喷嘴前后的压力差(毫米水柱)

气缸最大耗气量计算公式：

式中：Qmax— 最大耗气量(L/min)

D—缸径(cm)

S —气缸行程(cm)

t — 气缸一次夹紧(或松开)动作时间

(s),(夹紧和松开的时间一般认为相等)

p— 工作压力(MPa)

气缸全部耗气量还包括非工作容积(含缸内及气管等，这大概占实际耗气量的20%-50%)，所以需将耗气量计算结果乘以CBWEE经验系数1.25至2。一般取2。在0.5 MPa压力下气管流量近似计算公式：

式中：Q- 气管流量(L/min)；

S- 气管内径截面积(mm2)

为满足不同的需求，改变气缸的大小和气泵的功率，可以更好地适应不同环境下的需求。特别是为满足一些大功率的需要。可以采用多泵单缸的方式来加大功率，以保证安全性和高效性。

4 推广应用

单片机控制气泵的具有很强的实用性，在加载不同的传感器后，可以改变其功能。比如利用单片机减摇。把船用陀螺仪的船体状态数据加载到单片机上，通过单片机控制气泵改变气缸的状态，在舰船上产生一个相对稳定的平台。这个措施可以应用在一些对稳定性要求较高的场合或设备上，比如在海上进行的紧急手术，船舶油柜的安全处理等。单片机可以进行短时大数据处理，可及时做出相应反应，对抵抗一定级别的晃动具有十分积极的作用。

在对实例分析中不难看出，利用单片机对泵装置控制的思想不仅生活中应用价值很高，还可以广泛应用于军事。随着技术的更新，更多层面上可以利用这样一种方式对空间进行更加有效地利用，不仅节省人力物力，而且具有非常高的可靠性。

参考资料：

[1]成大先主编.机械设计手册.单行本.机械传动.北京:化学工业出版社,2004.1.

[2]黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,肖广德.开放教育研究.北京:北京师范大学- 知识工程研究中心,2003,(1):23-25

[3]丁祖荣 主编.流体力学.北京:高等教育出版社,2003.

[4]吴慎山主编.电子线路设计与实践.北京:电子工业出版社,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

作者简介：李东(1991-)，男，在读大学生。专业方向：机械工程。

收稿日期：2015-11-03

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0038-04