基于光电鼠标传感器的带速度精密测量及其控制系统

基于光电鼠标传感器的带速度精密测量及其控制系统 陈智博 蔡钟山 刘聃 肖威威 林永忠 华侨大学 机电及自动化学院 厦门 362021 摘要：对于普通的带传动装置进行较高精度的速度控制，传统的检测及控制器件未必能 让人满意。光电鼠标芯片因以其高精度、低现场环境要求、价格低廉等因素非常适用于位置 检测场合。鉴于此，结合光电鼠标芯片与 AT89S51 单片机，通过对普通带传动装置的改进， 可使其达到快速、稳定、准确的传动速度。测试 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，这种检测及控制方式是行之有效的。 关键词：PS/2 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ;低速;PID 控制;单片机接口;光学鼠标 0 引言 带传动是工业生产中使用普遍的传输装置，其常用的速度检测装置是安装在电机旋转 端的光电编码器。但设备在长期使用中，因磨损等不可预计情况，使得电机转速与带传动速 度出现严重的不一致。这种半闭环控制方式在需要较高精度的带传动速度控制上误差很大。 光栅尺等因价格昂贵、对现场环境要求高，往往对于普通工况中的的带传动装置改装并不很 适用。鉴于此，本文提出了使用一般商用的光电鼠标代替传统的检测器件，通过 AT89S51 单片机实现现场的 PID 控制，使带传动速度达到我们满意的要求。 1.检测系统硬件组成 1.1 OM02 光学传感器芯片及鼠标控制器 这款光学 COMS 传感器是一款针对个人计算机所配置的非接触式光电鼠标芯片。他集成 有数字信号处理器（DSP）、双通道正交输出端口等。在芯片底部有一个感光眼，能够不断的 对物体进行拍照，并将前后两次图像送入 DSP 中进行处理，得到移动的方向和距离。DSP 产 生的位移值，转换成双通道正交信号，配合鼠标控制器，将双通道正交信号转结成单片机能 够处理的 PS/2 数据格式。设备安装在一套塑料的光学透镜设备上，并一个配备有一个高强 度的 LED。此外，他可提供高达 400 点/英寸的分辨率以及 16 英寸/秒以内的速度检测。 图 1 为鼠标芯片的安装装配图。因 OM02 芯片为 COMS 型传感器，因此必须配备有与之 相适应的高强度发光二极管，发射角度与底板夹角 30。~45。 范围内。在标准安装配合后，底 板距离工作表面的有效距离在 0mm~2mm 内，OM02 芯片可进行正常的数据接收检测。 2 图 1.鼠标芯片传感器装配原理图 1.2 检测控制原理 本系统采用全闭环控制方式，如下图图 2，将鼠标检测到位移增量反馈回单片机，并进 行数字式 PID 控制，运算结果通过 D/A 转换芯片传给变频器，从而控制电机的转速。 图 2.光电鼠标检测控制原理图 1.2.1. 检测控制系统硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 本实验系统主要由原动机、传动部分、执行部分和控制部分组成。机械传动系统作为机 器的重要组成部分,不仅应能实现预期功能,而且应具有良好性能。为此,本实验采用三相交 流异步电机（Y2-63M1-4 型，0.12KW）、变频器（富士 FRN0.4C1S-4C），30:1 蜗轮蜗杆减 速器、v 型 B相带传输装置、P204 型球轴承及轴承座等作为模拟工业设备的主要的传动及执 行部分。通过单片机调整数模转换器的输出电压 U，可改变变频器的输出频率，从而改变电 机转速。 2. 单片机程序设计 2.1 鼠标通信协议原理 OM02 芯片 光电鼠标 AT89S51 单片机 三相异 步电机 DAC0832 数模转换器 PC 上位机 记录显示 蜗轮蜗杆 减速器 变频器 传输带 RS232 串口协议 PS/2 接口协议 3 鼠标与单片机的数据通信方式采用 PS/2 通信协议。 PS/2 鼠标的物理接口为 6 脚圆形接口，使用中只需 1 引脚 Data、3 引脚 GND、4 引脚 +5VPower 和 5 引脚 Clock 这 4 个引脚即可。 鼠标履行一种双向同步串行通信协议，在时钟信号的作用下串行发送或者接受数据。通 常情况下，单片机在总线上具有总线控制优先权，可在任何时候抑制来自于鼠标的通信。从 鼠标到单片机的数据在时钟的下降沿被读取，相反，单片机到鼠标的数据在时钟的上升沿被 读取。时钟信号总由鼠标内部芯片提供，时钟频率一般在 10~20KHz。 2.1.1 单片机对鼠标的通信 根据协议要求，单片机对鼠标的控制只需把时钟线拉低最少 100us 以上来禁止其通信， 并且单片机拉低数据线使之处于请求发送状态。如图 3 所示，当时钟线升为高电平后被 PS/2 设备重新拉低，即可开始单片机向鼠标的通信。 图 3.单片机对 PS/2 设备通信的时序图 2.1.2 鼠标对单片机的通信 因单片机对总线具有控制权，当鼠标要向单片机发送信息时，必须先检查时钟线是 否为高电平。如图 4 所示，当时钟线出现高电平，数据线出现低电平，表明鼠标请求发送， 单片机可以接受来自鼠标的数据。 4 图 4鼠标对单片机通信的时序图 2.1.3 单片机发送的控制数据 按照鼠标的 PS/2 协议规范，实际编程时先对鼠标发送 0xff 使其复位，默认采样频 率为 100 次/秒，缩放比例 1：1，数据 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 禁止。使用 0xea 命令进入 stream 模式、使用 0xe8， 0x03 命令设置解析度为 8 点/毫米。使用 0xf4 命令使能数据报告。配合 AT89S51 单片机的 定时器功能，将其时间常数设置为 0.1s，每次中断时发送 0xeb 命令读取位移数据信息，每 发出一次，单片机接收到的位移数据包都包含有位移信息和按键动作信息。具体格式为表 1 所示。 编译时也只需提取 X3 的有效数据包即 Y 方向位移增量 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 字节 1 Y 溢出 X 溢出 Y 方向 X 方向 1 中按键 左按键 右按键 字节 2 X 方向位移量信息 字节 3 Y 方向位移量信息 字节 4 Z 方向位移量信息 表 1. 3D 型鼠标接收数据格式 2.2 PID 控制软件算法 对该交流变频调速系统建模，可得其近似的数学模型为： 0.08( ) 1.05 /(1 0.001 )sG s e s s−= + 使用神经网络 PID 自适应控制对系统进行 matlab 的仿真测试，效果颇令人满意。但因 其输入层、隐含层、输出层的多阶矩阵运算使得单片机的运算时间大幅度的增加，造成时间 上的不确定因素增大，同比使用增量型 PID 控制，尽管后者需调整三个控制参数，但同样可 使精度达到我们预期的效果，运算时间则大幅度下降，为此仍可选用增量型 PID 算法作为控 制。算法 增量式数字 PID 的控制算法为: U(k)=U(k-1)+ pk *(e(k)-e(k-1))+ ik *e(k)+ dk *(e(k)-2e(k-1)+ e(k-2)) 其中 e(k)为当前位移增量与上一次位移增量的变化量， 同理 e(k-1)、e（k-2）各为往 前时间间隔的位移变化量。 利用单片机串行中断接收功能，可在 PC 机上实时调节 PID 的 pk 、 ik 、 dk 参数。 5 3．上位机监测设计 通过单片机的串口发送，在 LabVIEW 中编写程序来完成 PC 机控制数据通信设备进行数 据交换，直接通过串口接收外部数据并进行图形显示，并可以将数据存放在 txt 文件当中。 在 Labview 中主要是通过 VISA 控件实现串行口直接数据通信，通过 RS-232 串行接口和 Labview 实现数据的通信。 使用 read string 控件可以用来显示。数据接收并非连续不断的接收，而是通过一 定的延时。为实现不间断的接收单片机发送的串口数据包，须将前面的写和延时都去掉。 因串口接收到的数据是字符型的，通过强制转换将数据转换为单精度整型。创建数组将 数据和数组初始化相结合得到一个完整的数组，通过 Waveform graph 控件以及移位寄 存器即可实现上位机的实时显示与记录。 4 检测控制性能 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 PS/2 接口最大的始终频率是 33kHz。本实验单片机使用 12MHz 的晶振，可轻松完成接口 功能。但受其芯片的特性的影响，尽管 OM02 的鼠标芯片最高可使用的分辨率为 400DPI,但 在使用较高分辨率的情况下，鼠标传输的误码率将有所上升，其位移精度也将受到质疑。为 保证位移量的准确性，采用 200DPI 的分辨率，配合看门狗，精度误差和程序稳定性将大为 好转。 图 5.带运动的时间位移图（横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为位移增量点，每一点为 0.125 毫米） 6 测试结果为图 5 所示，带在较低速的运行中尽管存在速度的上下跳动变化，但跳动量较 小。图中设定带速度设定值为 32 点，即 40.00 毫米/秒，灵敏度为 0.125 毫米/秒，实际速 度平均值为 39.987 毫米/秒。 5.结语 使用光电鼠标作为检测带运动的速度传感器，其价格低廉、准确性高而且使用方便，再 配合单片机的数字式 PID 控制以及 labview 软件的图形检测，可以很好的对速度要求较低、 要求精度不是非常高的设备进行改装，使其达到输出速度稳定。又因为光电鼠标技术已趋于 成熟，在一般分辨率的情况下下对检测表面的要求不高，在比较恶劣的工况下仍可保证运行 无障碍。而近些年所推出的激光鼠标，其分辨率可达到 0.01 毫米，效果甚佳。该实验在北 京某半导体企业进行了现场测试，效果理想。 参考文献： [1]OM02 Optical Mouse sensor Data Sheet[P],2004 [2] 赵玉昆,PS／2 鼠标和单片机的接口[J], 上海应用技术学院学报, 2004 年 3 月,第 4 卷 第 1 期 [3]林邓伟，刑文生，光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用[J]，微计算机信 息，2006 年 22 卷 7-2 期 [4]宋健，数字 PID 算法在喷雾机器人导航系统中的应用[J]，潍坊学院学报，2003 年 11 月，第 3 卷第 6 期