摘要：對于普通的帶傳動裝置進行較高精度的速度控制，傳統(tǒng)的檢測及控制器件未必能讓人滿意,。光電鼠標芯片因以其高精度,、低現(xiàn)場環(huán)境要求、價格低廉等因素非常適用于位置檢測場合,。鑒于此,，結(jié)合光電鼠標芯片與AT89S51單片機，通過對普通帶傳動裝置的改進,，可使其達到快速,、穩(wěn)定、準確的傳動速度,。測試表明,，這種檢測及控制方式是行之有效的。
引言
帶傳動是工業(yè)生產(chǎn)中使用普遍的傳輸裝置,，其常用的速度檢測裝置是安裝在電機旋轉(zhuǎn)端的光電編碼器,。但設(shè)備在長期使用中,，因磨損等不可預(yù)計情況,，使得電機轉(zhuǎn)速與帶傳動速度出現(xiàn)嚴重的不一致。這種半閉環(huán)控制方式在需要較高精度的帶傳動速度控制上誤差很大,。光柵尺等因價格昂貴,、對現(xiàn)場環(huán)境要求高，往往對于普通工況中的的帶傳動裝置改裝并不很適用,。鑒于此,，本文提出了使用一般商用的光電鼠標代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測器件，通過AT89S51單片機實現(xiàn)現(xiàn)場的PID控制,，使帶傳動速度達到我們滿意的要求,。
1.檢測系統(tǒng)硬件組成
1.1 OM02光學(xué)傳感器芯片及鼠標控制器
這款光學(xué)COMS傳感器是一款針對個人計算機所配置的非接觸式光電鼠標芯片。他集成有數(shù)字信號處理器（DSP）,、雙通道正交輸出端口等,。在芯片底部有一個感光眼,，能夠不斷的對物體進行拍照，并將前后兩次圖像送入DSP中進行處理,，得到移動的方向和距離,。DSP產(chǎn)生的位移值，轉(zhuǎn)換成雙通道正交信號,，配合鼠標控制器,，將雙通道正交信號轉(zhuǎn)結(jié)成單片機能夠處理的PS/2數(shù)據(jù)格式。設(shè)備安裝在一套塑料的光學(xué)透鏡設(shè)備上,，并一個配備有一個高強度的LED,。此外，他可提供高達400點/英寸的分辨率以及16英寸/秒以內(nèi)的速度檢測,。
圖1為鼠標芯片的安裝裝配圖,。因OM02芯片為COMS型傳感器，因此必須配備有與之相適應(yīng)的高強度發(fā)光二極管,，發(fā)射角度與底板夾角30,。~45。范圍內(nèi),。在標準安裝配合后,，底板距離工作表面的有效距離在0mm~2mm內(nèi)，OM02芯片可進行正常的數(shù)據(jù)接收檢測,。
1.2檢測控制原理
本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方式,，如下圖圖2，將鼠標檢測到位移增量反饋回單片機,，并進行數(shù)字式PID控制,，運算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換芯片傳給變頻器，從而控制電機的轉(zhuǎn)速,。
本實驗系統(tǒng)主要由原動機,、傳動部分、執(zhí)行部分和控制部分組成,。機械傳動系統(tǒng)作為機器的重要組成部分,不僅應(yīng)能實現(xiàn)預(yù)期功能,而且應(yīng)具有良好性能,。為此,本實驗采用三相交流異步電機（Y2-63M1-4型，0.12KW）,、變頻器（富士FRN0.4C1S-4C）,，30:1蝸輪蝸桿減速器、v型B相帶傳輸裝置,、P204型球軸承及軸承座等作為模擬工業(yè)設(shè)備的主要的傳動及執(zhí)行部分,。通過單片機調(diào)整數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U，可改變變頻器的輸出頻率,，從而改變電機轉(zhuǎn)速,。
2. 單片機程序設(shè)計
2.1 鼠標通信協(xié)議原理
鼠標與單片機的數(shù)據(jù)通信方式采用PS/2通信協(xié)議,。
PS/2鼠標的物理接口為6腳圓形接口，使用中只需1引腳Data,、3引腳GND,、4引腳+5VPower和5引腳Clock這4個引腳即可。
鼠標履行一種雙向同步串行通信協(xié)議,，在時鐘信號的作用下串行發(fā)送或者接受數(shù)據(jù),。通常情況下，單片機在總線上具有總線控制優(yōu)先權(quán),，可在任何時候抑制來自于鼠標的通信,。從鼠標到單片機的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿被讀取，相反,，單片機到鼠標的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿被讀取,。時鐘信號總由鼠標內(nèi)部芯片提供，時鐘頻率一般在10~20KHz,。
2.1.1 單片機對鼠標的通信
根據(jù)協(xié)議要求,，單片機對鼠標的控制只需把時鐘線拉低最少100us以上來禁止其通信，并且單片機拉低數(shù)據(jù)線使之處于請求發(fā)送狀態(tài),。如圖3所示,，當時鐘線升為高電平后被PS/2設(shè)備重新拉低，即可開始單片機向鼠標的通信,。
2.1.2 鼠標對單片機的通信
因單片機對總線具有控制權(quán),，當鼠標要向單片機發(fā)送信息時，必須先檢查時鐘線是否為高電平,。如圖4所示,，當時鐘線出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平,，表明鼠標請求發(fā)送,，單片機可以接受來自鼠標的數(shù)據(jù)。
2.1.3單片機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)
按照鼠標的PS/2協(xié)議規(guī)范,，實際編程時先對鼠標發(fā)送0xff使其復(fù)位,，默認采樣頻率為100次/秒，縮放比例1：1,，數(shù)據(jù)報告禁止。使用0xea命令進入stream模式,、使用0xe8,，0x03命令設(shè)置解析度為8點/毫米。使用0xf4命令使能數(shù)據(jù)報告,。配合AT89S51單片機的定時器功能,，將其時間常數(shù)設(shè)置為0.1s,，每次中斷時發(fā)送0xeb命令讀取位移數(shù)據(jù)信息，每發(fā)出一次,，單片機接收到的位移數(shù)據(jù)包都包含有位移信息和按鍵動作信息,。具體格式為表1所示。編譯時也只需提取X3的有效數(shù)據(jù)包即Y方向位移增量
2.2 PID控制軟件算法
使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制對系統(tǒng)進行matlab的仿真測試,，效果頗令人滿意,。但因其輸入層、隱含層,、輸出層的多階矩陣運算使得單片機的運算時間大幅度的增加,，造成時間上的不確定因素增大，同比使用增量型PID控制,，盡管后者需調(diào)整三個控制參數(shù),，但同樣可使精度達到我們預(yù)期的效果，運算時間則大幅度下降,，為此仍可選用增量型PID算法作為控制,。算法增量式數(shù)字PID的控制算法為:
U(k)=U(k-1)+*(e(k)-e(k-1))+*e(k)+*(e(k)-2e(k-1)+ e(k-2))
其中e(k)為當前位移增量與上一次位移增量的變化量， 同理e(k-1),、e（k-2）各為往前時間間隔的位移變化量,。
利用單片機串行中斷接收功能，可在PC機上實時調(diào)節(jié)PID的kp,，ki,，kd參數(shù)。
3．上位機監(jiān)測設(shè)計
通過單片機的串口發(fā)送,，在LabVIEW中編寫程序來完成PC 機控制數(shù)據(jù)通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換,，直接通過串口接收外部數(shù)據(jù)并進行圖形顯示，并可以將數(shù)據(jù)存放在txt文件當中,。在Labview中主要是通過VISA控件實現(xiàn)串行口直接數(shù)據(jù)通信,，通過RS-232串行接口和Labview實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
使用read string控件可以用來顯示,。數(shù)據(jù)接收并非連續(xù)不斷的接收,，而是通過一定的延時。為實現(xiàn)不間斷的接收單片機發(fā)送的串口數(shù)據(jù)包,，須將前面的寫和延時都去掉,。因串口接收到的數(shù)據(jù)是字符型的，通過強制轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單精度整型,。創(chuàng)建數(shù)組將數(shù)據(jù)和數(shù)組初始化相結(jié)合得到一個完整的數(shù)組,，通過Waveform graph控件以及移位寄存器即可實現(xiàn)上位機的實時顯示與記錄。
4 檢測控制性能評價
PS/2接口最大的始終頻率是33kHz。本實驗單片機使用12MHz的晶振,，可輕松完成接口功能,。但受其芯片的特性的影響，盡管OM02的鼠標芯片最高可使用的分辨率為400DPI,但在使用較高分辨率的情況下,，鼠標傳輸?shù)恼`碼率將有所上升,，其位移精度也將受到質(zhì)疑。為保證位移量的準確性,，采用200DPI的分辨率,，配合看門狗，精度誤差和程序穩(wěn)定性將大為好轉(zhuǎn),。
5.結(jié)語
使用光電鼠標作為檢測帶運動的速度傳感器,，其價格低廉、準確性高而且使用方便,，再配合單片機的數(shù)字式PID控制以及l(fā)abview軟件的圖形檢測,，可以很好的對速度要求較低、要求精度不是非常高的設(shè)備進行改裝,，使其達到輸出速度穩(wěn)定,。又因為光電鼠標技術(shù)已趨于成熟，在一般分辨率的情況下下對檢測表面的要求不高,，在比較惡劣的工況下仍可保證運行無障礙,。而近些年所推出的激光鼠標，其分辨率可達到0.01毫米,，效果甚佳,。該實驗在北京某半導(dǎo)體企業(yè)進行了現(xiàn)場測試，效果理想,。