光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統(tǒng)
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帶傳動是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的傳輸裝置，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帶傳動裝置的改裝并不很適用。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)的檢測器件的方法，通過AT89S51單片機實現(xiàn)現(xiàn)場的PID控制，使帶傳動速度達到滿意的要求。
1 檢測系統(tǒng)硬件組成
1．1 OM02光學傳感器芯片及鼠標控制器
這款光學CMOS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，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，能夠不斷地對物體進行拍照，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)化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透鏡設(shè)備上，并配有一個高強度的LED。此外，它可提供高達40O點／in的分辨率以及16 in／s以內(nèi)的檢測速度。
圖1為鼠標芯片傳感器的裝配圖。因OM02芯片為CMOS型傳感器，因此必須配有與之相適應(yīng)的高強度發(fā)光二極管，發(fā)射角度(與底板之間的夾角)為30°～45°。在標準安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在O～2 mm內(nèi)，OM02芯片可進行正常的數(shù)據(jù)接收檢測。
1．2 檢測控制原理及系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方式，如圖2所示。將鼠標檢測到的位移增量反饋回單片機，并進行數(shù)字式PID控制，然后將運算結(jié)果通過D／A轉(zhuǎn)換芯片傳給變頻器，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)主要由電動機、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，采用三相交流異步電機(Y2―63M1―4型，O．12 kW)、變頻器(富士FRNO．4C1S一4C)、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。使用中只需第1引腳Data、第3引腳GND、第4引腳+5VPower和第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)送或者接收數(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?。幌喾?，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)部的芯片提供，時鐘頻率一般在10～20 kHz。
(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100μs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，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)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)低電平時，表明鼠標請求發(fā)送，單片機可以接收來自鼠標的數(shù)據(jù)。
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