爬墙机之负压吸盘压力控制器设计

马媛　杨倩　窦婉婷　张永强

关键词：单片机；压力控制器；PID控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）03-0110-04

1 绪论

1.1 研究背景及现状

从2000年以后，机器人在许多行业中得到了广泛的应用和发展，机器人的研究和应用水平成为判断一个国家经济实力和科技水平的重要依据。爬墙机器人不仅要运动还要吸附在垂直的墙面上，因此综合了机器人的运动控制技术还有吸附技术。它是在人工作业有一定危险发生的情况下进行固定作业的一种自动化机械设备。现在，人们对它越来越重视。爬墙机器人已经发展了30多年，在一些科学家和相关人员的努力下，其已经取得很多突破性的进展。日本东京工业大学在1989年设计研发出了吸盘式磁吸附爬壁机器人，机器人脚部的吸盘与墙面存在一定的倾斜度，这种情况下，吸盘依然可以很好地吸附在墙上。每个机械腿都有一个电机，它可以驱动吸盘旋转，在这个作用下，机器人开始移动[1]。国内对这方面的研究比国外要晚一点。我国工业机器人的研究从20世纪80年代“ 七五”科技攻关开始起步，现在已经掌握机器人本体的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨道规划技术[2]。哈尔滨工业大学已经成功研制出真空单吸盘吸附车轮行走式和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。

传统爬壁机器人不足之处在于受攀爬墙面平整度的影响，在粗糙的墙面上会漏气，吸盘的吸附性能下降，可能出现滑落或者下坠的危险。还有现有的吸盘吸附控制，在调节气压时只是简单地吸气，停止。当出现漏气时不能快速及时地做出调整。这都是本文设计要解决的问题。针对这些，未来爬墙机器人的吸附结构和性能应该能适应粗糙程度不同的工作环境，同时，尽可能地节省能源。

1.2 设计目标和要求

本次设计是设计爬墙机之负压吸盘压力控制器，控制调节负压吸盘里的气压。具体的要求就是实现在最小能耗的前提条件下，控制吸盘里气压，同时要克服墙面的不平整，能够适应复杂的工作环境。

在要求下的分析与思考：降低能耗即降低气泵的功率，就是要让气泵功率在不同情况下维持在一个恰当的值。针对漏气的情况，应该设计一种控制算法使气泵在接近设定值时，维持小功率运行。这样一来，一旦发生漏气系统能及时捕捉到气压变化的信号并进行调整。拟采用基于单片机的设计方案。随着时间的推迟，气压会变化，相应的压力差也会变化，但必须满足下图所示的变化规律，才能实现其功能，如图1、图2所示。

负压越大，吸盘内外压力差产生的压力就会变大，吸盘与墙面就吸附得越紧，爬墙机之负压吸盘压力控制系统的主控芯片是单片机。通过按键电路输入设定气压值还有控制上限和下限的值。由于实际无法检测吸盘产生的压力，根据压力是由于吸盘内外产生气压差形成的，而且外界大气压是已知固定的。所以人们通过检测和处理吸盘内气压，依然能够达到设计要求。传感器模塊对吸盘里的气压进行检测及处理后，将信号传入单片机，然后与设定的目标值进行比较。当气压高于设定上限值，气泵全速抽气；当气压低于设定的下限值时，气泵停止运行；当气压介于设定上限和下限之间时，设计一种算法，依据检测气压与目标气压的偏差大小，智能调节吸盘里的气压[3]。

该方案的可行性分析：采用基于单片机设计的压力控制器，主要用到人们学习过程中接触到的微处理器单片机，它具有小巧、灵活、控制功能全、控制效果好，而且价格不昂贵，作为主要控制芯片，设计好控制程序，连接上外部的气泵和压力传感器，并协调它们按照执行程序的顺序工作，就能实现设计的要求。所以这个方案可以实施。

2 硬件设计

2.1 系统结构框图

2.2 框图各模块功能

压力传感器：传感器不仅是检测还有处理转换。所以该模块就是检测吸盘里的气压值，并转换成电流或电压信号，获取被控对象为计算处理做准备[4]。

A/D转换：对电流或电压信号进行转换，转换成二进制的数字代码，方便传入单片机比较计算。

单片机最小系统：这个模块是控制系统的核心部分，包括c52单片机。传感器处理好的气压数字信号传入单片机，单片机根据传送进来的气压在哪个分段范围，调用对应的控制程序并且执行它[5]。当气压大小介于上限和下限之间单片机就调用设计好的pid算法程序计算控制输出值。这种情况下，最终都是用PWM调速的方式，调节气泵工作。

键盘：计算好的设定值，上限还有下限值就是通过人手按下按键设置在单片机里面，以便后面的计算用到。

显示装置：按键输入设置的气压值和传感器检测的气压值显示在显示屏上，便于人直观地看到气压的变化。

2.3 主要元器件要求

单片机：由于控制程序采用的pid算法计算量大，且需要的程序存储和数据存储空间较一般的设计要求大一些。

气泵：气泵在工作时，时间较长，所以要选用性能、安全性较好的气泵。在本次设计，是要模拟验证设计能否实现要求的功能，所以选用一般的气泵，自身带有一段塑料软管，便于气泵与吸盘形成的密闭空间连接，最多可以产生40kpa的负压[6]。这里的塑料管尽量用那些管壁比较厚的，因为抽气的时候，气管里面的气压也比大气压低，有可能在压力差的作用下气管堵塞，这样就影响了抽气继续进行下去。

气压传感器：在小的密闭环境内，气泵抽气气压变化会很快，处理器计算时是采样计算，一般采样的周期都很小，而在短时间内气压变化并不是很明显，如果传感器的分辨率不高，可能检测不到气压在变化，就会产生许多误差。

吸盘：吸盘要吸附在墙面上，不仅仅是产生的压力足够大能将吸盘紧紧地吸附在墙面上，还要吸盘与墙面的接触面密封性好[7]。

3 设计系统硬件电路

STC89C52单片机是主控芯片，气压传感器将检测信号进行模数转换后输出，再传入单片机进行处理。处理的过程分三种情况：检测气压比设定下限小时，气泵停止运行；检测气压大于设定上限时，气泵全速启动；当介于两者之间时用PID算法控制输出。

3.1 最小单片机系统

单片机最小系统一般由单片机、时钟电路和复位电路这三个部分组成。

3.1.1 晶振电路

晶振电路实际上就是把一个电阻和电容并联在一个电路中，然后再串联一个电容。它的作用是给微处理系统提供基本的时钟信号[8]。

3.1.2 复位电路

单片机在运行一段程序后，如果这个过程中发生故障，需要重新启动运行。这个时候，直接给单片机断电再重新上电运行程序，存储器里的程序可能会丢失，造成严重的后果，所以加入复位电路很重要。按下复位键，处理器和其他的器件就处于固定的原始状态，然后从这个状态继续运行。8052处理器的RST引脚显示高电平的时候，表示该系统已经实现了复位和初始化，处理器的复位实质上就是SP变成07H，SFR 都是0，P0到P3端口都为0FFH[9]。单片机重新运行是从0000H开始执行程序。图5分别是上电自动复位和按键复位，电阻和电容串联，与单片机的RST引脚相连，电阻和电容串联的电路中电容的电压不能突变。所以在上电的时候，单片机的RST端口会维持一段时间的低电平。当电源向电容充电的时候，电容的电压会升高，慢慢变成高电平，就完成了复位。

3.2 驱动电路

本次设计是要在一定范围内动态调节气压，因此对于气泵的控制就不仅仅是简单的启动和停止。单片机用pid算法计算出控制输出值，改变气泵的电压，泵腔内的电机转速发生改变，类似于直流电机的数字调速。结合大三所学电机拖动的相关知识，选用改变PWM频率的方式，对电机进行PWM调速。

PWM（脉冲宽度调制）其实就是改变占空比，改变电枢两端的电压，从而执行器的功率会变小或者变大，PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等[10]。反映在电机上就是不同的电枢电压电机会有不同的转速。

对于PWM调速的电机驱动电路，结合本次设计用到的气泵要求驱动电路的电压范围在0-6V，同时要提高电路的效率，保证功率器件的开关状态，防止共态导通，即负载的两个功率器件同时导通，否则会形成短路，损坏器件[11]。

由于设计中用到的气泵最高电压仅12V，电流也非常小。电机本身的阻值很小，如果外部接的电阻太大，电机的轉速会变得太快，这就降低了驱动电路的驱动效率，造成电能的浪费。所以要尽量减小电机回路提升电机的性能。MOS管特性是，Vgs大于一定值就会导通，适用于源极接地的情况，低端驱动，这是NMOS特性。它的PMOS特性是Vgs小于一定值就会导通，适合于源极接Vcc时的情况，但由于导通电阻大，能代替的种类少，所以一般选用NMOS特性，栅极电压4-10V就可以。它的开关特性好，用于开关电源或者马达驱动。在这次设计中，PWM 电路提供给MOS管驱动电压，驱动气泵工作。MOS管工作状态的一些基本参数为电压：-20-20V；最大工作温度：150-175℃；栅极电容：1-3PF。

3.3 数码管显示电路

相比于LCD这种比较高端的显示器，数码管的显示可能没有LCD那么准确。但由于本次设计需要显示的只有数字，数码管就能很好地实现这一功能，而且数码管的花费更为低廉，是个很好的选择。

数码管中的发光二极管一般有两种接法：

1） 全部发光二极管的阳极连接在一起，这就是共阳极连接法。

2） 相反的，全部发光二极管的阴极连接在一起，这种方法叫作共阴极连接法。

数码管发光二极管亮或暗实质就是不同电平的组合，单片机给数码管提供不同的数字代码，即字形代码，显示出不同的数字[12]。当某一个发光二极管接通时，相应地亮起数码管的某一点或者某一画，凭借发光二极管不同的亮暗组合产生数字、字母等。

3.4 按键电路

用三个独立式按键，它们之间的工作不会相互干扰。第一个按键按下是切换（设置初始值，检测值，上限，下限来回切换）；第二个按键按下数值加1；第三个按键按下数值减1。

3.5 气压传感器连接

SDA和SCL引脚接电源，GND接地，通过I2C总线与微处理器直接相连，安装在与吸盘内部气压相同的位置，即可测量气压。

3.6 系统电路原理图

4 总结

论文是负压吸盘压力控制系统的设计，通过单片机对微型真空泵进行控制，进而实现对负压吸盘里的气压调节，使吸盘很好地吸附在墙面上。通过本次设计，模拟验证了单片机控制器能对吸盘里的气压按照设计要求进行准确调节。由此得出结论，基于单片机的压力控制器，具有很好的控制、调节特性。同时，价格低廉，适合在负压吸盘压力控制领域广泛应用。

【通联编辑：梁书】