基于單片機的光電鼠標傳感器帶速度精密測量及其控制系統(tǒng)

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端的光電編碼器。但設備在長期使用中，因磨損等不可預計情況，使得電機轉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

1.1OM02光學傳感器芯片及鼠標控制器

這款光學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結成單片機能夠處理的PS/2數(shù)據(jù)格式。設備安裝在一套塑料的光學透鏡設備上，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。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，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，運算結果通過D/A轉換芯片傳給變頻器，從而控制電機的轉速。

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,不僅應能實現(xiàn)預期功能,而且應具有良好性能。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)設備的主要的傳動及執(zhí)行部分。通過單片機調整數(shù)模轉換器的輸出電壓U，可改變變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉速。

2、單片機程序設計

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，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，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

2.2PID控制軟件算法

使用神經(jīng)網(wǎng)絡PID自適應控制對系統(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，盡管后者需調整三個控制參數(shù)，但同樣可使精度達到我們預期的效果，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機上實時調節(jié)PID的kp，ki，kd參數(shù)。

3、上位機監(jiān)測設計

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readstring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，通過強制轉換將數(shù)據(jù)轉換為單精度整型。創(chuàng)建數(shù)組將數(shù)據(jù)和數(shù)組初始化相結合得到一個完整的數(shù)組，通過Waveformgraph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。

5、結語

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體企業(yè)進行了現(xiàn)場測試，效果理想。