毕业设计（论文）-除冰机器人的控制仿真设计.doc

除冰机器人的设计 摘 要 随着科技的发展 机器人技术也越来越普及 在各个领域的发展到一定阶段 机器 也开始代替人的工作 对那些具有安全隐患的工作也是机器人应用最多的地方 如今西 南地区随着天气的影响对输电线的破坏也越来越加重 本次设计是针对这种情况设计一 种专门除冰的一种机器人 通过对内部的控制设计达到对机械的操作 进而达到除冰的 效果 在根据运动学仿真 验证了动作规划的合理性 接下来 用 Lagrange 法建立了机 器人的多刚体系统动力学模型 推导了机器人逆动力学方程的求解算法 并结合机器人 的虚拟样机 并且考虑导线的柔性 对除冰机器人单臂越障的过程进行了仿真 根据结 果 为除冰机器人最薄弱的关节选择了合适和电机 验证了除冰机器人本体结构设计的 可行性 最后 研究了柔性导线的悬挂形状 并用 Lagrange 方程建立了机器人的刚柔耦 合动力学模型 在 ADAMS 中用除冰机器人的虚拟样机模型和导线的柔性模型进行了仿真 得到机器人运动与导线变形间耦合特性 验证了即使在考虑导线柔性的情况下 因此 研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的实用意义 关键词 除冰机器人 运动学 多刚体动力学 刚柔耦合动力学 Abstract With the development of science and technology robotics is becoming increasingly popular In various fields of development to a certain stage machines began to replace the work of a place where most work is also a robot application security risks and now the southwest with the weather damage to the transmission line more and more aggravated this design is a specialized de icing for this case to design a robot and internal control designed to meet the operation of machines thus achieving the effect of de icing kinematics simulation to verify the rationality of the action plan Next using the Lagrange method the robot s multi body dynamics model the derivation of the algorithm of the robot inverse dynamics equations combined with the virtual prototype of the robot and to consider the flexibility of the wire de icing robot single arm the more impaired the process of simulation based on the results the weakest de icing robot joints to choose the right motor verify the feasibility of de icing design of the robot body structure Finally flexible wire hanging shape and the Lagrange equations of the robot rigid flexible coupling dynamic model a flexible model of the virtual prototype model of the robot in ADAMS using de icing and wire were simulated to get the robot motion coupling between the wire deformation features verified even in the wire flexible so the development of safe and effective de icing machines to replace human conductors de icing has practical significance Key words Deicing robot kinematics multi body dynamics rigid flexible coupling dynamics 目 录 摘 要 1 1 引言 1 1 1 除冰机器人的研究 1 1 2 研究现状 1 1 3 工业机器人的控制系统的分类 2 2 控制系统的设计 3 2 1 工作电源及控制系统 3 2 2 传感器的应用 4 2 2 1 温度传感器 4 2 2 2 光照传感器 5 2 3 单片机的选用及硬件设计 5 2 4 8255A 芯片与 AT89C51 接口电路设计 7 2 5 时钟电路的设计 8 2 6 ADC0809 引脚配置及其接口电路设计 9 3 指令系统编程 11 3 1 运动及轴的指令系统 11 3 2 输入 输出指令说明或编程 12 3 2 1 程序循环和结构循环 12 3 2 2 恒量 14 3 3 轴参数说明和编程 14 4 除冰机器人的运动模块 16 4 1 无线传输模块 16 4 2 测控系统 17 4 3 控制功能模块 18 4 4 系统软件的设计 20 4 5 系统监控程序设定 22 参考文献 24 致 谢 25 附录 26 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 1 1 引言 1 1 除冰机器人的研究 2008 年 1 月我国南方数省输电线路遭遇历史上罕见的冰雪灾害 长时间持续的高强 度 大范围低温雨雪冰冻天气 导致湖南 江西 浙江 安徽 湖北等地的电网发生倒 塔 断线 舞动 覆冰闪络等多种灾害 由于温度 湿度和风速与覆冰形成的最佳气象 条件吻合 南方各省的输电线路大范围严重覆冰 加之冰冻天气持续时间长 强度大 导线和铁塔上的覆冰表现为生成 发展 保持 消融 再保持 再发展的循环过程 冰 厚不断增加 雪灾造成国家电网公司直接财产损失达 10415 亿元 灾后电网恢复重建和 改造需要投入资金 390 亿元 由此可见 如何破除输电线路覆冰成为一个亟待解决的很 有实际意义的课题 为了达到除冰效率高 能耗小 安全性强 成本低 操作简便 适应力强的目的 本文从机械除冰的角度出发 设计了一种输电线路除冰机器人 特别是电力系统遭受毁 灭性重创 冰灾引起了倒塔 现场调查了 2008 年湖南冰灾期间 220kV 输电线路的受损情 况 发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在 20 60mm 同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆 冰的不均匀性 档距 塔形等对线路倒塔也存在影响 分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚 超过设计值 垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔 专家解说 高压线高高 的钢塔在下雪天时 可以承受 2 3 倍的重量 但如果下雨凇 可能会承受 10 20 倍的电 线重量 电线结冰 遇冷收缩 风吹引起震荡 就使电线不胜重荷而断裂 1 2 研究现状 目前 在国内还没有技术成熟的除冰机器人 但是 在外国这种除冰机器人技术相 对比较成熟 其代表作品是加拿大的研究院设计的遥控小车 它主要用于清除电力传输 线上的覆冰 但是该机器人质量过大 结构复杂 并且只能清除俩杆塔之间的覆冰 不 具备越障功能 因此不完全的代替人工线上除冰 由于这些国家的地理与气候情况与我 国相似 甚至一些国家的情况更加恶劣 为了保证电力系统的可靠性 提高高压输电线 除冰的效率 减少损失 维护工人的安全 在借鉴国内外除冰机器人以及巡线机器人的 优点 本文设计的是高压线路除冰机器人 这种机器人可以满足直导线上覆冰不是太厚 情况下除冰要求 因此 研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应 用前景和实用意义 全球气候正经历以变暖为主要特征的变化 气候变暖导致 厄尔尼诺 和 拉尼娜 等极端天气气候事件的频率与强度明显增加 输电线路所处地质条件复杂 容易遭受冰 灾等极端天气的影响 目前国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进行了相关的研究 袭击湖南的持续低温 雨雪 冰冻天气过程来临之前 湖南温度偏高 空气干燥 湖南 东 南 西部三面环山 向中部 北部过渡为丘陵和平地 冷空气袭击湖南后 湖南降 温迅速 冷暖空气交汇形成的锋面逆温强度大 加上湖南北低南高的地势使逆温层得以 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 2 加强 地势陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留 随着暖湿气流不断补充 易形成 长时间降雨 冰冻 形成持续的雨凇 由于降温迅速 湘西高海拔山区和纬度较高的湘 北地区地表气温低 但降水主要集中在湘南 湘中 湘东 且停留时间较长 导致湘南 湘中 湘东冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区 湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形 势控制下形成的 拉尼娜现象起到推波助浪的作用 冰冻灾害受损范围与程度具有较强 的微地形影响特征 长时间的低温 0 5 降水过程为覆冰提供了适宜条件 受冷暖 空气共同影响 湖南从 01 11 02 07 共出现 4 次明显的雨雪天气过程 这次持续时间 长的冻雨和冰冻天气给湖南电网带来了灾难性的影响 湖南省电力公司 500 kV 线路 33 条有 14 条线路倒塔 182 基 变形 75 基 导线断线或受损 159 处 地线断线或受损 322 处 220 kV 有 44 条线路倒塔 679 基 110 kV 有 121 条倒塔 1864 基 35 kV 高压线路 倒杆 6 万 4 千多基 发生断线超过 5 万处 低压线路倒杆断杆 33 万多基 断线近 37 万 处 在整个冰冻期间 发生了多次电网解裂和衡阳 郴州等地区大面积停电事故 使湖 南电网受了有史以来最严峻的威胁 直接经济损失数 10 亿元 1 3 工业机器人的控制系统的分类 工业机器人控制系统可以从不同角度分类 如控制运动的方式不同 可为关节控制 笛卡尔空间运动控制和自适应控制 按轨迹控制方式的不同 可分为点位控制和连续轨 迹控制 按速度控制方式的不同 可分为速度控制 加速度控制 程序控制系统 给每个自由度施加一定规律的控制作用 机器人就可实现要求的空 间轨迹 自适应控制系统 当外界条件变化时 为保证所要求的品质或为了随着经验的积累 而自行改善控制品质 其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察 再调整非线性模 型的参数 一直到误差消失为止 这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变 人工智能系统 事先无法编制运动程序 而是要求在运动过程中根据所获得的周围 状态信息 实时确定控制作用 当外界条件变化时 为保证所要求的品质或为了随着经 验的积累而自行改善控制品质 其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察 再调整 非线性模型的参数 一直到误差消失为止 这种系统的结构和参数能随时间和条件自动 改变 因而本系统是一种自适应控制系统 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 3 2 控制系统的设计 2 1 工作电源及控制系统 要保证除冰机器人在野外大范围内长时间工作 必须提供持续可靠的电源 机器人 一般的功率一般为几百瓦 由于受体积和重量的限制 蓄电池组不能满足长时间供电要 求 尝试采用小型汽油发电机为机器人供电 但汽油发电机需携带油箱 工作时受环境 影响大 可靠性差 由于除冰机器人一般沿高压的电力线爬行 因此 最好能直接从电 力线上获取能源 即耦合供电 对采用电流互感器耦合从电力线上获取电源的设计方法 进行了深入研究 分析了机器人所需的最大驱动力与其重量的比率 磁芯的截面积 副 边线圈匝数等变量的关系 实验结果验证了方案的可行性 采用电力线耦合供电虽然解 决了巡线机器人长期工作的电源问题 同时也导致机械机构及控制系统的复杂化 这是 因为机器人越障时 电流互感器磁芯须从电力线上脱离 需解决磁芯分离机构控制和备 用电源切换技术 图 2 1 控制系统 这种系统是适应控制系统 当外界条件变化时 为保证所要求的目的或为了随着经 验的积累而自行改善控制系统 其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察 再调整 非线性模型的参数 一直到误差消失为止 这种系统的结构和参数能随时间和条件自动 改变 这种是事先无法编制运动程序 而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信 息 实时确定控制作用 当外界条件变化时 为保证所要求的品质或为了随着经验的积 累而自行改善控制品质 其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察 再调整非线性 模型的参数 一直到误差消失为止 这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 4 因而本系统是一种自适应控制系统 2 2 传感器的应用 2 2 1 温度传感器 系统选用温湿度一体数字式传感器 SHT11 该传感器将温湿度敏感元件 信号放大器 A D 转换器 标准数据存储器 I2C 总线等外围电路集成在了一个芯片上 不需外围电路 直接输出经过标定了的相对湿度和温度的数字信号 信号强度增加 抗干扰性增强 且 长期稳定性也得到了保证 有效地解决了传统温 湿度传感器的不足 另外 还可以精 确地测定露点 不会因为温湿度之间的温度差而引入误差 1 选择测量范围和测量重量 温度一样 选择湿度传感器首先要确定测量范围 除了气象 科研部门外 搞温 湿度测控的一般不需要全湿程 0 100 RH 测量 2 选择测量精度 测量精度是湿度传感器最重要的指标 每提高 个百分点 对 湿度传感器来说就是上一个台阶 甚至是上一个档次 因为要达到不同的精度 其制造 成本相差很大 所以使用者一定要量体裁衣 不宜盲目追求 高 精 尖 如在不同温 度下使用湿度传感器 其示值还要考虑温度漂移的影响 众所周知 相对湿度是温度的 函数 温度严重地影响着指定空间内的相对湿度 温度每变化 0 1 将产生 0 5 RH 的 湿度变化 误差 使用场合如果难以做到恒温 则提出过高的测湿精度是不合适的 多 数情况下 如果没有精确的控温手段 或者被测空间是非密封的 5 RH 的精度就足够 了 对于要求精确控制恒温 恒湿的局部空间 或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合 再选用 3 RH 以上精度的湿度传感器 而精度高于 2 RH 的要求恐怕连校准传感器的 标准湿度发生器也难以做到 更何况传感器自身了 相对湿度测量仪表 即使在 20 25 下 要达到 2 RH 的准确度仍是很困难的 通常产品资料中给出的特性是在常温 20 10 和洁净的气体中测量的 3 考虑时漂和温漂 在实际使用中 由于尘土 油污及有害气体的影响 使用时 间一长 电子式湿度传器会产生老化 精度下降 电子式湿度传器年漂移量一般都在 2 左 右 甚至更高 一般情况下 生产厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1 年或 2 年 到期需重新标定 4 其它注意事项 湿度传感器是非密封性的 为保护测量的准确度和稳定性 应 尽量避免在酸性 碱性及含有机溶剂的气氛中使用 也避免在粉尘较大的环境中使用 为正确反映欲测空间的湿度 还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角 处 有的湿度传感器对供电电源要求比较高 否则将影响测量精度 或者传感器之间相 互干扰 甚至无法工作 使用时应按照技术要求提供合适的 符合精度要求的供电电源 传感器需要进行远距离信号传输时 要注意信号的衰减问题 当传输距离超过 200m 以上 时 建议选用频率输出信号的湿度传感器 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 5 2 2 2 光照传感器 在基础学科研究中 光照传感器更具有突出的地位 现代科学技术的发展 进入了 许多新领域 例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙 微观上要观察小到 cm 的粒子世 界 纵向上要观察长达数十万年的天体演化 此外 还出现了对深化物质认识 开拓新 能源 新材料等具有重要作用的各种极端技术研究 如超高温 超低温 超高压 超高 真空 超强磁场 超弱磁砀等等 显然 要获取大量人类感官无法直接获取的信息 没 有相适应的传感器是不可能的 许多基础科学研究的障碍 首先就在于对象信息的获取 存在困难 而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现 往往会导致该领域内的突破 一些传感器的发展 往往是一些边缘学科开发的先驱 光照传感器早已渗透到诸如工业生产 宇宙开发 海洋探测 环境保护 资源调查 医学诊断 生物工程 甚至文物保护等等极其之泛的领域 可以毫不夸张地说 从茫茫 的太空 到浩瀚的海洋 以至各种复杂的工程系统 几乎每一个现代化项目 都离不开 各种各样的传感器 由此可见 光照传感器技术在发展经济 推动社会进步方面的重要作用 是十分明 显的 世界各国都十分重视这一领域的发展 相信不久的将来 传感器技术将会出现一 个飞跃 达到与其重要地位相称的新水平 本系统是采用硅光电池 2DU6 作为光照传感器 该传感器的短路电流信号对此进行放 大到 0 5V 供 A D 模块转换之用 硅光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器 件 由于它可把太阳能直接变电能 因此又称为太阳能电池 它是基于光生伏特效应制 成的 是发电式有源元件 它有较大面积的 PN 结 当光照射在 PN 结上时 在结的两端 出现电动势 2 3 单片机的选用及硬件设计 为了适应各种应用领域的需要 世界各国都在不断地进行研制和开发 目前世界上 最具实力的单片机开发公司有 美国的 Intel ATMEL 荷兰的 Philips 德国的 Siemens 等 其中 Intel 公司开发的 MCS 51 高性能 8 位机代表着单片机的发展方向 成为单片机 领域中的主流产品 其他公司则纷纷推出了与 MCS 51 系列兼容的单片机 ATMEL 公司的 89 系列 Flash 单片机便是其中的一种 其以 Intel80C51 52 作为内核 并采用可重复编 程的 Flash ROM 技术 是一种源于 8051 而又优于 8051 的单片机 已成为广大 MCS 51 用 户进行电子设计与开发的优选单片机品种 根据系统的功能和要求 课题选用 ATMEL 公 司 89 系列标准型单片机 AT89C51 作为控制中心 硬件电路以 AT89C51 单片机为核心 计时采用 AT89C51 的计数器 1 作为定时时钟 人机对话接口主要由键盘显示打印电路 故障报警电路构成 处理转换 A D 电路构成 输 出控制由光隔 继电器 执行器件构成 系统可靠性采取软件数字滤波和硬狗 MAX706 等 技术 人机对话功能主要通过 4 位 LED 显示 4 位按键 蜂鸣器 打印机 通过并行口 DB25 与 PC 机通信打印 来实现 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 6 AT89C51 是一种低功耗 低电压 高性能的 8 位单片机 片内带有一个 4KB Flash EPROM 它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的 NURAM 技术 且引脚和指令系统都与 MCS 51 产品兼容 最大特点就是其闪速存储器优越的在线可重复编程性能 其主要性能如下 4KB 可改编程序 Flash 存储器 可经受 1 000 次的写入 擦除周期 全静态工作 OHZ 24MHZ 三级程序存储器保密 128B 8 位 内部 RAM 32 条可编程 I O 口线 2 个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 片内时钟振荡器 低功耗的闲置及掉电保 护模式 AT89C51 单片机有 40 个引脚 为 CMOS 工艺双列直插封装 DIP 其引脚配置见图 2 现将各引脚功能分述如下 l 主电源引脚 VCC 接 5V 电源正端 GND 接 5V 电源地端 2 时钟震荡电路引脚 XTALl 和 XTAL2 3 控制或与其它电源复用引脚 RST ALE Error Error Error Error 和Error Error VPPRST 为复位 输入端 ALE 为地址锁存允许信号 PROG 为 Flash 存储器编程脉冲输入端 PSEN 为外部程 序存储的读选通信号 Error Error 为访问外部程序存储器允许端 VPP 为 Flash 存储器编程电 源 12V 输入端 4 输入 输出引脚 PO O PO 7 P1 0 1 7 P2 0 P2 7 和 P3 O P3 7PO 口 PO 0 PO 7 是三态双向口 通称数据总线 Pl 口 P1 0 P1 7 是准双向口 专门供用 户使用的 I O 口 P2 口 P2 0 P2 7 也是准双向口 P3 口 P3 0 P3 7 是双功能口 第 一功能是一般 I O 口 第二功能定义具体见表 1 所示 存储器分开编址的 它们有各自 的寻址系统 控制信号和特定功能 程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址 空间 内部存储空间和存储器分外部存储空间 这里系统的数据量不太大 程序也不太长 AT89C51 片内的 4KBROM 闪速存储器和 128B 的 RAM 数据存储器即可满足要求 无需扩展片 外 RAM 和 ROM CPU 只需访问内部 RAM 和 ROM 故在硬件电路设计上将Error Error 和Error Error 引 图 2 2 AT89C51 引脚图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 7 脚连在一起接 VCC 由一上拉电阻将其拉高 AT89 内部存储器地址空间分配为 片内 4KB 程序 Flash 存储空间 0000H OFFFH 片内 128 字节的数据存储空间 OOH 7FH 特殊功 能寄存器空间 80H FFH 位寻址空间 00H FFH 表 2 3 P3 口各引脚兼用功能表 这里本系统为典型的单片机应用系统 由于系统外围配置和应用电路的要求现有并 行 I O 口已不能满足 故需要对 I O 口线进行扩展 由于选用的单片机与 Intel 公司的 MCS 51 系列是兼容的 故选用 Intel 公司的通用型可编程 I O 接口扩展芯片 8255 3 8 位 来扩展 I O 口线最为简捷可靠 扩展方法选用广泛采用的总线扩展方法 这种方法十 分方便 扩展的并行口 I O 芯片的数据输入线取自 AT89C51 的 PO 口 只分时占用 PO 口 并不影响 PO 口与其他扩展芯片的连接操作 不会造成单片机硬件的额外开支 2 4 8255A 芯片与 AT89C51 接口电路设计 8255A 的端口选择地址线 AO 和 Al 分别接 AT89C51 的 P2 3 P2 2 端 片选Error Error 接 P2 1 端 复位引脚接 AT89C51 的 RESET 端 8255A 的控制线Error Error 和Error Error 分别接 AT89C51 的Error Error 和Error Error 数据线 DO D7 接 PO 0 0 7 端 8255A 的工作方式这里选 用方式 O 基本输入输出方式 在这种方式下 PA PB PC 口均可设置为输入或输出 且不需任何选通信号 8255A 是 Intel 公司与其微处理器配套的通用可编程并行 I O 接口 扩展芯片 可与 AT89C51 系统总线直接连接 其引脚采用 40 线双列直插式封装 具体配 置如图 3 所示 各引脚功能分述如下 数据总线 8 条 DO D7 为双向数据总线 用于传 送 CPU 和 8255A 间的数据 命令和状态字 控制总线 6 条 RESET 为复位线 高电平有效 Error Error 为片选线 低电平有效 若为高电平 则 8255A 不被选中工作 Error Error 为读命令线 WR 为写命令线 均为低电平有效 Error Error 为低电平 Error Error 为高电平 则本片 8255A 处于 读状态 为低电平 Error Error 为高电平 则所选 8255A 处于写状态 A0 和 Al 为口地址选择 线 用于选中 PA 口 PB 口 PC 口和控制寄存器中的哪一个工作 并行 I O 口线 3 8 位 PA 口 PB 口 PC 口用于和外设通信 电源线 两条 VCC 为 5V 电源线 允许变化 10 GND 为地线 数据总线 8 条 DO D7 为双向数据总线 用于传送 CPU 和 8255A 间的数据 命令和 状态字 控制总线 6 条 RESET 为复位线 高电平有效 Error Error 为片选线 低电平有效 若Error Error 为高电平 则 8255A 不被选中工作 Error Error 为读命令线 Error Error 写命令线 均为 低电平有效 Error Error 为低电平 Error Error 为高电平 则本片 8255A 处于读状态 Error Error 为低电 平 Error Error 为高电平 则所选 8255A 处于写状态 A0 和 Al 为口地址选择线 用于选中 引脚第二功能引脚第二功能 P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 RXD 串行输入口 TXD 串行输入口 INT0 外部中断 0 INT1 外部中断 1 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 T0 定时器 0 的外部输入 T1 定时器 1 的外部输入 WR 外部数据存储器写选通 RD 外部数据存储器读选通 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 8 PA 口 PB 口 PC 口和控制寄存器中的哪一个工作 并行 I O 口线 3 8 位 PA 口 PB 口 PC 口用于和外设通信 电源线 两条 VCC 为 5V 电源线 允许变化 10 GND 为地线 2 5 时钟电路的设计 AT89C51 单片机内部有个振荡器 可以用作 CPU 的时钟源 这里系统时钟选用内部方 式 因为这种方式结构紧凑 成本低廉 可靠性高 AT89C51 内部含有一个高增益的反相 放大器 通过 XTALI 输入端 XTAL2 输出端 外接作为反馈元件的片外石英晶体 或陶瓷 谐振器 和电容 C1 C2 组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器 从而利用部的振 荡器产生时钟 连接方法见图 4 所示 其中晶体呈感性 其决定着振荡器的振荡频率 电 容 C1 C2 对频率有微调作用 电路中反馈元件选用石英晶体 电容 C1 和 C2 均为 30PF 电容的安装位置应尽量靠近单片机 图 2 4 8255A 引脚配置 C2 C1 XTAL2 AT89C51 XTAL1 END Y1 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 9 图 2 5 时钟电路连接图 2 6 ADC0809 引脚配置及其接口电路设计 ADCO809 芯片属 ADC0808 系列多通道 8 位 CMOS 模数转换器 其芯片内置有多路模拟 开关以及通道地址译码和锁存电路 因此能够对多路模拟信号进行分时采集与转换 ADCO809 是 8 位逐次比较式 A D 转换芯片 28 引脚 双列直插封装 具有地址锁存 控制的 8 路模拟开关 应用单一 5V 电源 其模拟输入电压范围为 O 5V 对应的转换 数字量为 00H FFH 转换时间为 1OOuS 无须调零或调整满量程 因此能够实现 8 路模 拟信号的分时采集和转换 每个瞬间只能转换一路 转换后的数据送入三态输出数据锁 存器 A D 转换原理及过程 ADC0809 最多允许 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换器 进行转换 由 A B C 编码选择通道号通过最高位 DN 1 至最低位 D0 的逐次检测来逼近 被转换的输入电压 A D 转换过程主要包括采样量化及编码 采样是使模拟信号在时间上离散化 量化及 编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码 如 8 位 A D 转换器所采集到的 O 5V 电压转换成为 OOH FFH 相对应的数字量 通过数字量的运算比较的结果实现对模 拟量的测量及控制 ADC0809 引脚配置见图 9 所示 引脚功能如下 INO 7 为 8 个输入通道的模拟输入端 DO D7 为 8 位数字量的输出端 A B C 和 ALE 控制 8 路模拟通道的切换 ALE 地址锁存 信号 高电平时把 3 个地址信号送入地址锁存器 并经译码器得到地址输出 以选择相应 的模拟输入通道 A B C 为输入地址选择线 三者编码对应 8 个通道地址 CAB 000 111 分别对应 INO IN7 通道地址 START 为启动信号 加上正脉冲后 A D 开始 进行转换 EOC 为转换结束信号 是芯片的输出信号 转换开始后 EOC 信号变低 转换 结束后 EOC 返回高电平 这个信号可作为 A D 转换器的状态信号来查询 也可直接用作 中断请求信号 ENABLE OE 为输出允许控制端 当给 0E 端输入高电平时 控制三态数据 输出锁存器向外部输出转换数据结果 CLK 为时钟信号 其典型值为 64OKHZ VREF 和 VREF 为 A D 转换器参考电压 由外部参考电压源提供 典型值为 5V VCC 为电源电压 由于是 CMOS 芯片 允许的电源范围较宽可以从 5 15V VCC 由 VCC 和 GND 引入 由于 ADCO809 片内有三态输出锁存器 因此可直接与 AT89C51 芯片接口 即其 8 位 数据输出引脚可直接与 CPU 数据总线相连 接口电路的硬件逻辑设计主要是处理好 A D 引脚与 AT89C51 主机的硬件连接 以实现 8 路模拟信号的分时切换选通 ADC0809 的数据线 D0 D7 可直接和 AT89C51 的数据总线 PO O PO 7 相连接 A D 转 换后的数字信号由 P0 口传送到 CPU 这里由于利用 TTL 芯片实现对系统 1 0 口线的扩展 无疑会加重 P0 口负载 为了增强系统总线的驱动能力 特在 AT89C51 和 ADCO809 的数据 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 10 线间增加双向总线驱动芯片 74LS245 同时能够有效地避免资源共享发生冲突 具体连接如下 74LS245 的 AO A7 引脚接 AT89C51 的 P0 0 P0 7 端 74LS245 的 BO B7 引脚接 ADCO809 的数据线 DO D7 DIR 为方向控制端 这里接地 Error Error 允许端也 即片选端 这里接 AT89C51 的 P2 7 端 当 P2 7 端输出低电平时 Error Error O 有效 AT89C51 的传送 当 P2 7 数据实现 B 到 A 方向的传送即从 ADC08O9 到 AT89C51 的传送 当 P2 7 置高电平时 Error Error 无效 三态门不通 Ai 和 Bi 成高阻态 这时数据总线可为 8255A 使用 ADC08O9 的时钟频率范围要求在 10 1280KHZ 内 由于其内部没有时钟电路 故其时钟信号必须由外部提供 这里 ADC08O9 的 CLK 端的时钟信号由十进制计数 分频器芯片 4017 十分频后 C0 引脚 提供 而 4017 的 CL 引脚 分频输入端 信号由 AT89C51 的 ALE 端提供 RST 引脚 复位置 0 端 和Error Error 引脚均接地 QO Q9 端均悬空 ADCO809 的 ALE 端由 8255A 的 PC4 端控制 ENABLE 端由 8255A 的 PC2 端控制 START 端由 8255A 的 PC1 端控制 模拟输入通道地址的译码输入信号 A B C 由 AT89C51 的地 址总线 P2 4 P2 5 P2 6 提供 其信号状态决定选择的通道 8 路模拟通道共用一个 A D 转换器 8 路模拟信号分时转换 每个瞬间只能转换 1 路 各路之间的切换由软件变 换通 道地址来实现 8255A 的 PC1 PC4 和 PC2 控制 ADC08O9 的启动 锁存和输出 PC4 1 时 送模拟通道号地址到地址锁存器 PC4 0 时 地址锁存 当 PC1 1 时 启动 A D 转换 转换 开始后 EOC 0 转换结束则 EOC 1 当 PC2 1 时 输出转换结果 这些信号状态由指令时 序形成 ADCO809 芯片的转换速度在最高时钟频率下为 10OuS 左右 根据 A D 转换器与微处 理器接口方式及应用系统本身要求的不同 实现 A D 转换所需软件的设计方法也不同 目前常用的控制方式 即数据传送方式 有 程序查询方式 延时等待方式 定时传送 和中 断方式 本系统 A D 转换的实现采用程序查询方式 ADC0809 的 EOC 引脚接 AT89C5l 的 P3 2 端 这里由微处理器向 A D 转换器发出启动信号 然后读入转换结束信号 查询转 换是否结束 若转换结束 可以读入数据 否则再继续读入转换结束信号进行查询 直至 转换结束再读入数据 这种程序设计方法比较简单 可靠性高 但由于微机把许多时间 都消耗在 查询 上 因而效率低 实际应用的许多系统对于消耗这点时间还是允许的 因此这种方法应用的比较普遍 传送时 首先送出口地址并以 PC2 端输出作为选通信号 当信号有效时 OE 信号即有效 把转换数据送上数据总线 供单片机接收 图 2 6 ADC08O9 管脚配置 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 11 3 指令系统编程 3 1 运动及轴的指令系统 轴指令用来和旧的 Trio 控制器兼容 加速度率和减速度率可用 ACCEL 和 DECEL 轴参 数设定 同时设定加速度率和减速度率 acc 率 参数单位决定于单位轴参数 加速度因 子从 UNITS SEC SEC 输入 修改指令是设置单轴运动指令或单轴参数读写 AXIS 参数在 命令行或程序行特别有效 使用 BASE 指令改变基本轴 任何有效的 BASIC 表达式特定轴 数 AXIS 指令可用于修改以下指令的轴参数 ADDAX CAM CAMBOX CANCEL CONNECT DATUM DEFPOS FORWARD MOVEABS MOVECIR C MOVELINK MOVE MOVEMODIFY REVERSE REGIST WAIT IDLE WAIT LOADED 运动控制指令 BASE 轴 1 轴 2 轴 3 BA 轴 1 轴 2 轴 3 BASE 指令用于导向下一个运动指令 轴的参数读 写入特定轴或轴组 设置的缺省值依次为 0 1 2 每一个过程有其自己 的 BASE 基本轴组 每个程序能单独赋值 Trio Basic 程序与控制轴运动的运动发生器 分开 每个轴的运动发生器有其独立的功能 因此每个轴能以自己的速度 加速度等进 行编程 单独运动 或者通过插补或链接运动链接在一起 AXIS 命令只要应用正在 进行的单命令可以重新导向不同的轴 而 BASE 指令除非规定轴号 否则导向接下来 的所有指令 轴号 轴号或轴组号成为新的基准轴排列 即轴号或轴组发送运动指令给 多轴指令里的第一个轴 基本轴的轴数和顺序轴在轴组用于多轴运动 CANCEL 指令取消 轴插补轴组的当前运动 速度轨迹 FORWARD REVERSE MOVE MOVEABS MOVECIRC 将 会以 DECEL 参数减速直到停止 其它运动会立即停止 DATUM 指令执行 6 种方法中的一种搜寻原点位置 其为绝对位置同时可以重置跟随误 差 伺服驱动器机构原点搜寻用于轴 0 轴 1 用于 MC 控制单元机构 DATUM 使用 CREEP 速度和目标速度用于原点搜寻 伺服驱动器用于轴 0 爬行速度用 CREEP 参数设定 目标速度用 SPEED 参数设定 原点搜寻输入数由 DATUM IN 参数决定 用于 3 或 7 中 DATUM 0 用于轴出错时重新启动系统 位置不变 DATUM 0 指令清 除跟随误差 将当前位置设定为目标位置同时 AXISSTATUS 状态会被清除 注如果产生错 误的问题仍然存在 误差不能被清除 1 轴以爬行速度 CREEP 正向运行直到发现 Z 信 号 目标位置重置为 0 同时纠正测量位置 维持跟随误差 2 轴以爬行速度 CREEP 反 向运行直到发现 Z 信号 目标位置重置为 0 同时纠正测量位置 维持跟随误差 3 轴以 目标速度 SPEED 正向运行 直到碰到原点开关 随后轴以爬行速度正向运动直到原点 开关复位 目标位置重置为 0 同时纠正测量位置 维持跟随误差 4 轴以目标速度 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 12 SPEED 反向运行 直到碰到原点开关 随后轴以爬行速度正向运动直到原点开关复位 目标位置重置为 0 同时纠正测量位置 维持跟随误差 5 轴以目标速度 SPEED 正向 运行 直到碰到原点开关 随后轴以爬行速度正向运动直到碰到 Z 信号 目标位置重置 为 0 同时纠正测量位置 维持跟随误差 6 轴以目标速度 SPEED 反向运行 直到碰到 原点开关 随后轴以爬行速度正向运动直到碰到 Z 信号 目标位置重置为 0 同时纠正测 量位置 维持跟随误差 MOVE 指令使一轴或多轴在目标速度 加速度和减速度下以增量的方式运动到特定位 置 在多轴运动中 速度 加速度 减速度是基于基本轴的插补运动 特定长度的比例 由转换因子 UNITS 参数设定 例如 一轴编码 4000edges mm 于是轴的单元数设为 4000 MOVE 12 5 将会移动 12 5 毫米 MOVE 工作在缺省轴 除非 AXIS 定义临时基本 轴 参数 dist 1 定义为缺省轴 dist 2 作为另一个轴等等 通过改变轴在独立运动 非 插补 非同步可以获得多轴运动 增量运动可以合并成连续运动轨迹 通过设置 MERGE ON 考虑两轴运动 每轴速度可以由以下等式计算得到 指令 MOVE x1 x2 和速度 Vp由 SPEED 控制 ACCEL 和 DECEL 参数计算得到 多轴运动距离 L MOVEABS 指令使一轴或多轴在目标速度 加速度和减速度下以绝对的方式运动到特定 位置 在多轴运动中 速度 加速度 减速度是基于基本轴的插补运动 特定长度的比 例由转换因子 UNITS 参数设定 例如 一轴编码器是 4000edges mm 于是轴的单元数设 为 4000 MOVEABS 12 5 将会从起始点移动 12 5 毫米 MOVEABS 工作在缺省轴除非 AXIS 定义临时基本轴 参数 dist 1 定义为缺省轴 dist 2 作为另一个轴等等 通过改 变轴在独立运动 非插补 非同步可以获得多轴运动 增量运动可以合并成连续运动轨 迹 通过设置 MERGE ON 考虑两轴运动 每轴速度可以由以下等式计算得到 指令 MOVE ax1 ax2 和当 前位置 ay1 ay2 速度 Vp由 SPEED ACCEL 和 DECEL 参数计算得到 多轴运动距离 L 每轴任何时候的独立速度计算如下 任意轴 I 的运动距离 从用户定义的基本轴开始 X Y 平面有一个笔 圆盘的位置相 对与起始点固定 REVERSE 反向连续运动 速度由 SPEED 参数设置 加速率由 ACCEL 参数设置 REVERSE 工作在缺省基本轴 除非 AXIS 定义临时基本轴 反向运动可以被 CANCEL 或 RAPIDSTOP 指令停止 或到达反向限位 禁止或原点返回 AXIS CANCEL FORWARD RAPIDSTOP 3 2 输入 输出指令说明或编程 3 2 1 程序循环和结构循环 AIN 模拟通道 从模拟输入口读取数值 各种模拟输入模块可与运动控制器连接 有的运动控制器本身具有 1 至 2 个模拟输入 返回的值是十进位的 与读自 A 至 D 转换 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 13 器的二进制数字相等 模拟输入通道 0 71 0 31 P325 CAN 模拟输入通道 31 39 运 动控制器本身模拟输入通道 40 71 P225 模拟输入子板 AIN2 通道的 S RATE 参数可每 分钟将数据转换成接近的值 对于 AIN1 和 AIN3 通道 T RATE 参数可将数据转换成扭矩 的百分率 生产线的速度由材料供给的速率决定 材料供给通过安装有超声传感器装置 上松散的环安排 超声传感器输出范围在 0V 4V 4V 时环最长 模拟输入值尽管应为正 的值但也需检查确保大于 0 当值为负时进来的信号有噪音 由于除 FORWARD 或 REVERSE 外负速对与任一类型运动无效而引起错误 注意 模拟反应速度取决于所发生的模块 P324 以 10msec 更新 P225 以 SERVO PERIOD 更新 内置的模拟端口以 1msec 更新 如果 未安装 P325 总线模块 AIN 0 和 AIN 1 将读取内置的通道以保持与老版本的兼容 HEX 指令用于打印语句 输出一个十六进制格式的数 HEX 指令不用在 MC202 或 MC216 I O 功能 IN input number final input number IN IN 功能返回数 字输入的值 IN input number final input number 将会返回输入的二进制 两个 参数必须小于 24 分隔 IN input number 包括输入值小于 32 将会返回特定通道的 值 IN without arguments 将会返回前 24 个输入的二进制 IN 0 23 输入 返回的值 值是在 0 到 31 的整数 最后输入返回的值 值是在 0 到 31 的整数 I O 功能 指令 OP 指令设置一个或多个输出或返回前 24 个输出状态 OP 有三种不同形式决定于 参数 PRINT 指令让 Trio Basic 输出一系列字符串到串口 或合适的光纤端口 PRINT 指令可以输出参数 固定 ascii 串 单个 ascii 字符串 只要多个项目用逗号 或分号 分隔 都可以通过单个 PRINT 语句打印 逗号 分号控制输出字串的格式 结构指令 IF condition THEN else ENDIFIFconditon THEN IF THEN ELSE ENDIF 结构依据条件结果控制程序流程 如果条件真 接下 来的 THEN 到 ELSE 将会执行 如果条件假 ELSE 将会执行或程序会跳到 ENDIF 如果没有 ELSE ENDIF 用于标记条件段的结束 注意 IF THEN ELSE ENDIF 过程可以没有限制的 嵌套 对于多行 IF THEN 结构 在 THEN 后没有任何陈述 单结构不用 ENDIF cindition 任何有效的逻辑表达式 commands 任何有效的逻辑表达式 循环和条件结构指令 FOR variable start to end step increment next variableFOR NEXT 允许将 FOR 和 NEXT 之间的部分重复执行多次 进入这个循 环 变量初始化成 start 同时指令部分开始执行 直到执行到 NEXT 指令 variable 以增 量方式增加 直到 step 值 step 值可正可负 如果省