基于光电编码器的智能机械手.doc

目 录摘要一：概述 （一）光电编码器工作原理及发展 （二）机械手的基本机构及工作原理二：光电编码器的控制 （一）单片机概述 （二）单片机编程基础 （三）基于单片机的编码器控制 （四）基于单片机的编码器状态检测三：系统仿真 （一）基于光电编码器控制阀门旋转角度 （二）基于光电编码器控制阀门开闭情况四：结语参考文献附录谢辞一、 概述（一） 光电编码器工作原理及发展1.编码器及光电编码器（1）概念：编码器即是将特定物理量通过数字的格式表示出来的装置。在运动控制系统中，编码器可以用来将运动距离、位置和角度等参数转换为数字格式的量。应用在运动控制系统中最普遍的就是光电编码器。 （2）光电编码器的分类：根据光电编码器不同的用途，可以分为两类。一类是旋转光电编码器，主要用于测量旋转产生的角度；另一类是直线光电编码器，可用于测量直线的尺寸和移动的距离。另外，根据光电编码器不同的检测原理，还可以将其分为光学式、磁式、感应式和电容式光电编码器。若根据刻度方法和信号输出形式，又可以分类为增量型编码器和绝对式编码器。2.光电编码器的工作原理光电编码器的基本原理是通过光栅的衍射来实现位移数字转换。光电编码装置是光电编码器的重要部件，旋转式光电编码器使用圆形的码盘作为编码装置，而直线式光电编码器使用直尺型的码尺，但是其原理都是将运动中旋转角度或移动距离转化成数字格式的光信号。光电编码器实际上是一种位置指示器，利用二进制编码，对确定比例的明暗相间条纹，通过光电元件对角度位置（或位移位置）获取二进制信号，最后将获取到的二进制信号解码，读出其角度位置的值（绝对值或者相对值均可）。常见的光电编码器由光源，码盘和光电接收器组成。在各个结构中，码盘最重要，图为一个八位编码器的码盘和工作原理图： （a）图中的格瑞玛的码盘非常适合光学编码器，每当码盘进一格，只有一个数码发生变化，可以减少错码现象的发生。图（b）中是增量式编码器的码盘。同等价位的增量编码器要比绝对编码器便宜很多，这种码盘的编码器不仅可以提供运动的角度大小和位移，还可以指示出运动方向，且当方波脉冲信号输入到增减计数器中时，方波信息可以被分解为一倍、两倍或者四倍的超精细信号，从而提高了编码器的分辨率。性能好的光栅还可以获得更加精细的分辨本领，利用光栅读头的方法也可以提高光栅分辨率。 增量编码器中子光栅码盘细分的工作原理图 3.光电编码器的应用及发展前景由于光电编码器的主要任务是完成对机械运动速度、角度、位移或数据累加的侦测活动，所以除了广泛应用于产业机械之外，在马达控制器换相、速度以及位置的检测方面也都必须配备编码器。自上世纪50年代起，光电编码器就被应用于各种机床和计算仪器中。由于其结构比较简单、精确度高且使用寿命长，在国内外一直倍受重视和推广应用。（二） 机械手的基本结构1.机械手概述（1）概念：机械手是指可以通过编程控制来实现独立抓取、搬运物品、使用工具等操作的装置，国内还称作工业机械手。它的特点主要是结构简单、易于维修且成本较低，但是功能比较单一，可使用的范围很小。随着现代工业的飞速发展，工业自动化已经成为了突出的主题。机器人的出现为工业自动化及连续加工、装配提供了更有力的条件并奠定了坚实的基础。（2）机械手的简单分类：机械手根据独立性和使用环境通常可以分为三类：第一类是通用机械手，在使用过程中可通过编程独立操作，不需人工操作，是一种独立的装置；第二类是操作机，需要人工控制操作；第三类是专业机械手，作为自动化机床或者自动化生产线的“搬运工”，主要负责传送工件或者工料的供给工作，为特定的主机服务，由主机发送指令进行驱动，执行的指令通常不发生变化，具有专用性。2.机械手的基本结构在了解了机械手的基本概念和分类之后，让我们研究一下机械手的基本结构，深入探究一下机械手如何模仿人类来辅助工业生产。由于机械手要完成的主要任务是拿取工件和搬运工料，因此最基本的结构就是要有一套完整的手指、手腕、手臂和可以活动的关节，我们将这一部分组成称作机械手的执行系统。有了“骨骼”当然要有“肌肉”来对手臂进行驱动，我们将这部分“肌肉”称作驱动传动系统。一个完整的机械手自然不能缺少“大脑”，用来发送指令，指挥机械手完成一系列的操作，这就是机械手的控制系统。如下图所示，机械手的组成通常包括执行系统、驱动传动系统和控制系统三部分。机械手执行系统驱动传动系统控制系统手部腕部臂部腰部基座电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及信息交换图：机械手的基本组成 3.智能机械手的工作原理所谓智能机械手，就是在机械手的基础上添加了感觉、视觉和语言识别的能力。而目前主要研究方向就在于提高机械手的“视觉”能力，从而使它在操作过程中能够主动辨认物体或躲避开障碍物。但是这些功能并不是各自独立的，若想要实现某一高端功能，各部分之间必须相互协同和制约。简化的原理图如下：控制系统B控制系统A驱动传动装置执行机构位置形状检测待处理对象智能识别系统图中，控制系统B接受检测结果，控制系统A接收对待处理对象的识别，A与B互相协助且相互制约，发送最终指令有执行机构进行操作，当被处理对象到达指定位置之后，完成操作。通过此例可见，智能机械手对于外界环境的识别与控制能力很强，更能够符合现代化工业的要求。二、 光电编码器的控制（一） 单片机概述1.单片机的基本概念（1）什么是单片机？单片机属于计算机的一种。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以也称为微控制器。从单片机呈现给用户的供应状态来看，单片机产品仅是一块集成电路芯片，即它的所有功能部件都是集成在一块芯片上，所以称之为单片机（Single-Chip Microcomputer）。 单片机的结构和指令系统与通用计算机是有差异的，但毕竟它还属于计算机的一类，因此其最基本的功能模块和基本的工作原理仍是一样的。由于单片机主要面向控制领域，所以它的组成结构是在包含通用微机的基本组成部分的基础上，增强了具有实时控制能力的一些功能部件。（2）单片机的组成：首先我们介绍一下通用微机的组成，微机由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口三大功能部分通过总线有机连接而成。外设部分通过I/O接口与计算机连接。 单片机把微机的三大部分和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上。这些实施控制器件通常包括A/D转换器、D/A转换器和脉冲调制器等等。实时控制器件配置的多少也是衡量单片机性能的重要指标，不同系列或者型号的单片机，其实时控制器件的配置可能不同。大多数单片机芯片上都有定时器/计数器。1参考文献【1】：单片机原理及应用李建忠编著，西安电子科技大学出版社2002.2下图为为单片机的组成：单片机ROM、RAMI/O接口实时控制器件CPUA/D转换器D/A转换器脉冲调制器定时器计数器2.单片机的发展历程1975年，由美国德克萨斯仪器公司研发出第一枚单片机芯片，命名为TMS-1000.在之后的30几年中，单片机领域发生了翻天覆地的突破，先后经过了4个阶段，由最开始的4位机阶段到8位机、16位机和32位机。(1）4位机：主要应用方向就是家电和一些电子玩具等。(2）8位机：在4位机问世仅仅一年之后，Intel公司就通过MCS-48系列将单片机推入8位机时代，片内设置并行I/O和串行I/O口，有些还带有A/D转换功能。由于8位机的功能很强大，应用方向也相应扩大到工业生产控制、智能接口技术和仪器仪表等各个领域。（3）16位机和32位机：16位机可告诉输入/输出、能够满足高速且复杂的控制系统；与之相比，32位机性能更加完善，更多的应用于机器人控制、激光控制器等。 3.单片机的应用 自从单片机得到开发以来，全球工业也在飞速发展，单片机与生活、生产的紧密结合给我们带来了更多的便捷，也推进了生活生产自动化的进程。接下来让我们看看单片机在生产生活中的具体应用（1） 家电：现代家电的控制越来越多的应用单片机，如录像机、洗衣机、空调等。在日本，家电的单片机控制率已接近100%。随着人们对家电的要求越来越丰富，家电的功能将得到完善，必然不能离开单片机的应用。（2） 仪器仪表：仪器仪表是单片机应用最广泛的领域。将单片机植入仪器仪表，不仅提高了测量的精度和速度，也大幅降低了操作难度。国内在这方便进展很快，相关论文很多，不过实际开发出来的产品还相当少，单片机年用量还不能达到全球当年产量的1%。（3） 机电一体化：机电一体化实际就是将计算机、通信、微电子、机械制造和控制理论集合于一体，使之成为拥有多功能的有机结合。最主要的应用领域就是制造业，更大提高了系统工作的适应能力。为了实现多功能，这样的系统一般需要多个微机并行处理。通过单片机对机械手进行控制，这也将是本设计的重点所在。（二） 单片机编程基础1. 单片机的总体结构：单片机上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、中断系统和多功能的I/O接口等。（1)CPU的功能很强大，它由计算部件和控制部件组成：运算器包括算数逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字寄存器和十进制调整电路等等；控制器包括定时控制逻辑、指令寄存器IR、指令译码器、程序计数器PC、程序地址寄存器、堆栈指针、数据指针寄存器和信息传送控制部件等。对于单片机来说，控制器相当于“心脏”，主要任务用于控制单片机的运行。（2）存储器的组成：存储器可分为程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器、位寻址区和外部数据存储器。（3）定时器/计数器：单片机内部有2个可编程定时器/计数器，记为T0和T1。在定时工作的时候，时钟由单片机内部提供；计数工作时，时钟脉冲通过T0和T1输入。（4）中断系统：中断系统可允许接收五个相互独立的中断源，分别是2个外部中断申请，2个定时/计数器以及一个串行口中断。（5）串行口：串行接口是可编程双向接口，可通过指令设置成四种不同工作方式的一种，但主要用于异步通信。（6）引脚：完成不同功能的结构，包括电源、I/O总线、时钟跟控制总线等。 以上是单片机的几个重要组成部分，它们通过内部总线连接到CPU，通过CPU的处理和指示，相互辅助制约完成一个复杂的处理操作，最后输出结果，这便是单片机的工作原理。2参考文献【2】：姚凯学 孟传良主编 单片机原理及应用重庆大学出版社1998.3结构图如下：CPUROMEPROMRAM定时计数器时钟电路并行接口串行接口中断系统 图：单片机的基本结构2. 单片机程序设计语言在单片机开发的过程中，不能缺少的就是对于高级语言的使用，其中较常见的就是C语言。与汇编语言相比较，C语言的可控制性较差。但是实际上使用汇编语言也会遇到很多问题，首先汇编语言的可读性和可维护性较差，其次就是它的可用性较低，C语言与之比较很好的改善了这些问题。C语言的优点很多，如模块化，易阅读和维护。由于两种语言各有优点，因此，有的时候我们还会采用混合编程的模式。那么下面，我们就来简单介绍一下C语言在单片机编程中的使用方法：（1） 数据类型C51单片机拥有所有标准C语言的数据类型，为了更加有效运用8051的结构，还加入了一些C51特殊的数据类型，如下表： 数据类型 表1数据类型位数字节数数值范围bit101char81-128+127unsigned charenum816120255-32768+32767short162-32768+32767unsigned short162065535int162-32768+32767unsigned int162065535long324-2147483648+2147483647unsigned long32404294967295float3241.175494E-383.402823E+38sbit101sfr810255sfr16162065535（2） 存储类型及存储区C51编译器可以支持8051及其扩展系列，并能够对所有存储区进行访问。我们可以将存储区分为三部分：内部数据存储区、外部数据存储器和程序存储区。在变量的生命中包括了指定变量存放的位置，如下表：表二 存储区描述存储区描述DATARAM的低128字节，可在一个周期内直接寻址BDATADATA区可字节、位混合寻址的16字节区IDATARAM区的高128字节，必须采用间接寻址XDATA外部存储区，使用DPTR间接寻址PDATA外部存储区的256字节，通过P0口的地址对其寻址。使用命令MOVX Rn,需要两个指令周期CODE程序存储区使用DPTR寻址（3） C51指针在C51中有两种类型的指针，一个是通用指针，另一个则是指定存储区的指针。C51所提供的是一个3个字节的通用指针，这个通用指针的声明和使用都和标准C语言是相同的，同时还能说明指针的存储类型。存储类型在编译时是确定的，通用指针所需要的存储类型字节在指定存储器的指针中并不需要，指定存储区指针只需要1B或2B。我们可以将两种指针进行比较，如下表：表3 指定存储区指针和通用指针对照表指针类型通用指针xdataIdatapdatadatacode大小（字节）321112 不同的指针在代码、数据规模以及执行时间上具有差异，而且指针之间存在着互相转换的关系，指针转换可以用类型进行转换，或者在编译器内部强制转换。（4） 函数 函数声明：C51编译器将标准C语言的函数声明进行了扩展，在函数生命中可以包括这些拓展项或相关属性，标准格式如下： return_typ