除冰機器人的控制仿真設計【2013年最新整理畢業(yè)論文】

除冰機器人的設計 摘 要 隨著科技的發(fā)展，機器人技術也越來越普及。在各個領域的發(fā)展到一定階段，機器也開始代替人的工作，對那些具有安全隱患的工作也是機器人應用最多的地方，如今西南地區(qū)隨著天氣的影響對輸電線的破壞也越來越加重，本次設計是針對這種情況設計一種專門除冰的一種機器人，通過對內(nèi)部的控制設計達到對機械的操作，進而達到除冰的效果。在根據(jù)運動學仿真，驗證了動作規(guī)劃的合理性。接下來，用 Lagrange 法建立了機器人的多剛體系統(tǒng)動力學模型，推導了機器人逆動力學方程的求解算法，并結(jié)合機器人的虛擬樣機，并且考慮導線 的柔性，對除冰機器人單臂越障的過程進行了仿真，根據(jù)結(jié)果，為除冰機器人最薄弱的關節(jié)選擇了合適和電機，驗證了除冰機器人本體結(jié)構設計的可行性。最后，研究了柔性導線的懸掛形狀，并用 Lagrange 方程建立了機器人的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，在ADAMS 中用除冰機器人的虛擬樣機模型和導線的柔性模型進行了仿真，得到機器人運動與導線變形間耦合特性。驗證了即使在考慮導線柔性的情況下， 因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導線除冰具有較好的實用意義。 關鍵詞： 除冰機器人 ；運動學；多剛體動力學；剛?cè)狁詈蟿恿W 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 robots 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 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 1.1 除冰機器人的研究 . 1 1.2 研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)的分類 . 2 2控制系統(tǒng)的設計 . 3 2.1 工作電源及控制系統(tǒng) . 3 2.2 傳感器的應用 . 4 2.2.1 溫度傳感器 . 4 2.2.2 光照傳感器 . 5 2.3 單片機的選用及硬件設計 . 5 2.4 8255A 芯片與 AT89C51 接口電路設計 . 7 2.5 時鐘電路的設計 . 8 2.6 ADC0809 引腳配置及其接口電路設計 . 9 3指令系統(tǒng)編程 . 11 3.1 運動及軸的指令系統(tǒng) . 11 3.2 輸入 /輸出指令說明或編程 . 12 3.2.1 程序循環(huán)和結(jié)構循環(huán) . 12 3.2.2 恒量 . 14 3.3 軸參數(shù)說明和編程 . 14 4除冰機器人的運動模塊 . 16 4.1 無線傳輸模塊 . 16 4.2 測控系統(tǒng) . 17 4.3 控制功能模塊 . 18 4.4 系統(tǒng)軟件的設計 . 20 4.5 系統(tǒng)監(jiān)控程序設定 . 22 參考文獻 . 24 致 謝 . 25 附錄 . 26 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 1.1 除冰機器人的研究 2008年 1月我國南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災害。長時間持續(xù)的高強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣 , 導致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡等多種災害。由于溫度、濕度和風速與覆冰形成的最佳氣象條件吻合 , 南方各省的輸電線路大范圍嚴重覆冰。加之冰凍天氣持續(xù)時間長、強度大 , 導線和鐵塔上的覆冰表現(xiàn)為生成 發(fā)展 保持 消融 再保持 再發(fā)展的循環(huán)過程 , 冰厚不 斷增加。雪災造成國家電網(wǎng)公司直接財產(chǎn)損失達 10415 億元 , 災后電網(wǎng)恢復重建和改造需要投入資金390 億元。由此可見 , 如何破除輸電線路覆冰成為一個亟待解決的很有實際意義的課題。 為了達到除冰效率高、能耗小、安全性強、成本低、操作簡便、適應力強的目的 , 本文從機械除冰的角度出發(fā) , 設計了一種輸電線路除冰機器人。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災引起了倒塔 ,現(xiàn)場調(diào)查了 2008 年湖南冰災期間 220kV 輸電線路的受損情況 ,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在 20 60mm,同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性 ,檔距、塔形等對線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設計值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結(jié)冰，遇冷收縮，風吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 1.2 研究現(xiàn)狀 目前，在國內(nèi)還沒有技術成熟的除冰機器人，但是，在外國這種除冰機器人技術相對比較成熟，其代表作品是加拿大的研究院設計的遙控小車，它主要用于清除電力傳輸線上的覆冰，但是該機器人質(zhì)量過大，結(jié)構復雜，并且只能清 除倆桿塔之間的覆冰，不具備越障功能，因此不完全的代替人工線上除冰，由于這些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護工人的安全，在借鑒國內(nèi)外除冰機器人以及巡線機器人的優(yōu)點，本文設計的是高壓線路除冰機器人，這種機器人可以滿足直導線上覆冰不是太厚情況下除冰要求。因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導線除冰具有較好的應用前景和實用意義。 全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事 件的頻率與強度明顯增加，輸電線路所處地質(zhì)條件復雜，容易遭受冰災等極端天氣的影響，目前國內(nèi)外對已多次發(fā)生的輸電線路冰災事故進行了相關的研究。襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒面逆溫強度大，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強，地勢陡增處南下冷空氣因推進受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補充，易形成長時間降雨、冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較 高的湘北地區(qū)地表氣溫除冰機器人的設計 2 低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導致湘南、湘中、湘東冰凍災害強于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災害是在大尺度天氣形勢控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災害受損范圍與程度具有較強的微地形影響特征。長時間的低溫 (0 5 )、降水過程為覆冰提供了適宜條件。受冷暖空氣共同影響，湖南從 01-11 02-07，共出現(xiàn) 4 次明顯的雨雪天氣過程，這次持續(xù)時間長的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來了災難性的影響。湖南省電力公司 500 kV 線路 33 條有 14 條線路倒塔 182基 ，變形 75 基，導線斷線或受損 159 處，地線斷線或受損 322 處； 220 kV 有 44條線路倒塔 679 基， 110 kV 有 121 條倒塔 1864 基； 35 kV 高壓線路倒桿 6萬 4 千多基，發(fā)生斷線超過 5 萬處；低壓線路倒桿斷桿 33萬多基，斷線近 37萬處，在整個冰凍期間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽、郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了有史以來最嚴峻的威脅，直接經(jīng)濟損失數(shù) 10 億元。 1.3 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)的分類 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運動的方式不同，可為關節(jié)控制、笛卡爾空間運動控制和自適應控制；按 軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制。 程序控制系統(tǒng)：給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。 自適應控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。當外 界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應控制系統(tǒng)。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 3 2 控制系統(tǒng)的設計 2.1 工作電源及控制系統(tǒng) 要保證除冰機器人在野外大范圍內(nèi)長時間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。機器人一般的功率一般為幾百瓦，由于受體積和重量的限制，蓄電池組不能滿足長時間供電要求。嘗試采用小型汽油發(fā)電機為機器人供電，但汽油發(fā)電機需攜帶油箱，工 作時受環(huán)境影響大，可靠性差。由于除冰機器人一般沿高壓的電力線爬行，因此，最好能直接從電力線上獲取能源，即耦合供電。對采用電流互感器耦合從電力線上獲取電源的設計方法進行了深入研究，分析了機器人所需的最大驅(qū)動力與其重量的比率、磁芯的截面積、副邊線圈匝數(shù)等變量的關系，實驗結(jié)果驗證了方案的可行性。采用電力線耦合供電雖然解決了巡線機器人長期工作的電源問題，同時也導致機械機構及控制系統(tǒng)的復雜化。這是因為機器人越障時，電流互感器磁芯須從電力線上脫離，需解決磁芯分離機構控制和備用電源切換技術 圖 2-1 控制系統(tǒng) 這種系 統(tǒng)是適應控制系統(tǒng)，當外界條件變化時，為保證所要求的目的或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制系統(tǒng)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。這種是事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構和參數(shù)能隨時間和條件 自動改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應控制系統(tǒng)。 除冰機器人的設計 4 2.2 傳感器的應用 2.2.1 溫度傳感器 系統(tǒng)選用溫濕度一體數(shù)字式傳感器 SHT11，該傳感器將溫濕度敏感元件、信號放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、標準數(shù)據(jù)存儲器、 I2C 總線等外圍電路集成在了一個芯片上，不需外圍電路，直接輸出經(jīng)過標定了的相對濕度和溫度的數(shù)字信號。信號強度增加，抗干擾性增強，且長期穩(wěn)定性也得到了保證，有效地解決了傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。另外，還可以精確地測定露點，不會因為溫濕度之間的溫度差而引入誤差。 （ 1）選擇測量范圍 和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳 感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程 (0-100 RH)測量。 （ 2） 選擇測量精度 。 測量精度是濕度傳感器最重要的指標，每提高 個百分點，對濕度傳感器來說就是上一個臺階，甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度，其制造成本相差很大，所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求 “ 高、精、尖 ” 。如在不同溫度下使用濕度傳感器，其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知，相對濕度是溫度的函數(shù)，溫度嚴重地影響著指定 空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化 0.1 。將產(chǎn)生 0.5 RH 的濕度變化 (誤差 )。 使用場合如果難以做到恒溫，則提出過高的測濕精度是不合適的。多數(shù)情況下，如果沒有精確的控溫手段，或者被測空間是非密封的， 5 RH 的精度就足夠了。對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用 3 RH以上精度的濕度傳感器。而精度高于 2 RH 的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發(fā)生器也難以做到，更何況傳感器自身了。相對濕度測量儀表，即使在 20 25 下，要達到 2RH的準確度仍是很困難的。通常產(chǎn)品資料中 給出的特性是在常溫（ 20 10 ）和潔凈的氣體中測量的。 （ 3） 考慮時漂 和溫漂 。 在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，電子式濕度傳器會產(chǎn)生老化，精度下降，電子式濕度傳器年漂移量一般都在 2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標明 1 次標定的有效使用時間為 1 年或 2 年，到期需重新標定。 （ 4） 其它注意事項 。 濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準確度和穩(wěn)定性，應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳感 器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響 測量精度?；蛘邆鞲衅髦g相互干擾，甚至無法工作。使用時應按照技術要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。傳感器需要進行遠距離信號傳輸時，要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過 200m 以上時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 5 2.2.2 光照傳感器 在基礎學科研究中， 光照 傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域 ； 例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化 。 此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種 極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測 傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。 光照 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的 工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見， 光照 傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。 本系統(tǒng)是采用硅光電池 2DU6 作為光照傳感器，該傳感器的短路電流信號對此進行放大到 0-5V 供 A/D 模塊轉(zhuǎn)換之用。硅光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它 有較大面積的 PN 結(jié)，當光照射在 PN 結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 2.3 單片機的選用及硬件設計 為了適應各種應用領域的需要，世界各國都在不斷地進行研制和開發(fā)。目前世界上最具實力的單片機開發(fā)公司有：美國的 Intel、 ATMEL，荷蘭的 Philips，德國的 Siemens 等。其中 Intel 公司開發(fā)的 MCS-51 高性能 8 位機代表著單片機的發(fā)展方向，成為單片機領域中的主流產(chǎn)品，其他公司則紛紛推出了與 MCS-51 系列兼容的單片機， ATMEL 公司的 89 系列 Flash 單片機便是其中的一種。其以 Intel80C51/52 作為內(nèi)核，并采用可重復編程的Flash ROM 技術，是一種源于 8051 而又優(yōu)于 8051 的單片機，已成為廣大 MCS-51用戶進行電子設計與開發(fā)的優(yōu)選單片機品種。根據(jù)系統(tǒng)的功能和要求，課題選用 ATMEL 公司 89 系列標準型單片機 AT89C51 作為控制中心。 硬件電路以 AT89C51 單片機為核心，計時采用 AT89C51 的計數(shù)器 1 作為定時時鐘，人機對話接口主要由鍵盤顯示打印電路、故障報警電路構成 ；處理轉(zhuǎn)換 (A/D)電路構成 ；輸出控制由光隔、繼電器、執(zhí)行器件構成 ；系統(tǒng)可靠性采取軟件數(shù)字濾波和硬狗 MAX706 等技術。人機 對話功能主要通過 4位 LED 顯示、 4位按鍵、蜂鳴器、打印機 (通過并行口 DB25 與 PC機通信打印 )來實現(xiàn)。 除冰機器人的設計 6 AT89C51 是一種低功耗、低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)帶有一個 4KB Flash EPROM，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的 NURAM 技術，且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 產(chǎn)品兼容，最大特點就是其閃速存儲器優(yōu)越的在線可重復編程性能。其主要性能如下 :4KB 可改編程序Flash 存儲器，可經(jīng)受 1， 000 次的寫入 /擦除周期 ；全靜態(tài)工作 :OHZ 24MHZ； 三級程序存儲器保密 ；128B(8 位 )內(nèi)部 RAM； 32 條可編程 I/O 口線 ；2個 16 位定時器 /計數(shù)器 ；5個中斷源 ；可編程串行通道 ；片內(nèi)時鐘振蕩器 ；低功耗的閑置及掉電保護模式。 AT89C51 單片機有 40 個引腳，為 CMOS 工藝雙列直插封裝 (DIP)，其引腳配置見圖 2。現(xiàn)將各引腳功能分述如下： (l)主電源引腳 VCC 接 +5V 電源正端， GND 接 +5V 電源地端。 (2)時鐘震蕩電路引腳 XTALl 和 XTAL2 (3)控制或與其它電源復用引腳 RST、 ALE/PROG 、 PSEN 和 EA /VPPRST 為復位輸入端 ；ALE為地址鎖存允許信號， PROG 為 Flash 存儲器編程脈沖輸入端 ；PSEN 為外部程序存儲的讀選通信號 ；EA 為訪問外部程序存儲器允許端， VPP 為 Flash 存儲器編程電源 12V 輸入端。 (4)輸入 /輸出引腳 PO.O PO.7， P1.0 1.7， P2.0 P2.7 和 P3.O P3.7PO 口 (PO.0PO.7)是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線。 Pl 口 (P1.0 P1.7)是準雙向口，專門供用戶使用的I/O 口。 P2口 (P2.0 P2.7)也是準雙向口。 P3口 (P3.0 P3.7)是雙功能口，第一功能是一般 I/O 口，第二功能定義具體見表 1所示。存儲器分開編址的，它們有各自的尋址系統(tǒng) 、控制信號和特定功能。程序和數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上均分為兩個地址空間 :內(nèi)部存儲空間和存儲器分外部存儲空間。這里系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不太大，程序也不太長， AT89C51 片內(nèi)的 4KBROM 閃速存儲器和 128B 的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器即可滿足要求，無需擴展片外 RAM 和 ROM，CPU 只需訪問內(nèi)部 RAM 和 ROM，故在硬件電路設計上將 EA 和 PSEN 引腳連在一起接 VCC，由一上拉電阻將其拉高。 AT89 內(nèi)部存儲器地址空間分配為 :片內(nèi) 4KB 程序 Flash 存儲空間(0000H OFFFH)；片內(nèi) 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間 (OOH 7FH)；特殊功能寄存器空間 (80H圖 2-2 AT89C51 引腳圖 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 7 FFH)；位尋址空間 (00H FFH)。 表 2-3 P3 口各引腳兼用功能表 這里本系統(tǒng)為典型的單片機應用系統(tǒng)，由于系統(tǒng)外圍配置和應用電路的要求現(xiàn)有并行I/O 口已不能滿足，故需要對 I/O 口線進行擴展。由于選用的單片機與 Intel 公司的 MCS-51系列是兼容的，故選用 Intel 公司的通用型可編程 I/O 接口擴展芯片 8255(3 8 位 )來擴展 I/O 口線最為簡捷可靠。擴展方法選用廣泛采用的總線擴展方法，這種方法十分方便，擴展的并行口 I/O 芯片的數(shù)據(jù)輸入線 取自 AT89C51 的 PO 口，只分時占用 PO 口，并不影響PO口與其他擴展芯片的連接操作，不會造成單片機硬件的額外開支。 2.4 8255A 芯片與 AT89C51 接口電路設計 8255A 的端口選擇地址線 AO 和 Al 分別接 AT89C51 的 P2.3、 P2.2 端，片選 CS 接 P2.1端，復位引腳接 AT89C51 的 RESET 端， 8255A 的控制線 RD 和 WR 分別接 AT89C51 的 RD 和 WR ，數(shù)據(jù)線 DO D7接 PO.0 0.7 端。 8255A 的工作方式這里選用方式 O(基本輸入輸出方式 )。在這種 方式下， PA、 PB、 PC 口均可設置為輸入或輸出，且不需任何選通信號。 8255A 是 Intel公司與其微處理器配套的通用可編程并行 I/O 接口擴展芯片，可與 AT89C51 系統(tǒng)總線直接連接，其引腳采用 40 線雙列直插式封裝，具體配置如圖 3所示。各引腳功能分述如下 : 數(shù)據(jù)總線 (8 條 )DO D7 為雙向數(shù)據(jù)總線，用于傳送 CPU 和 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€ (6 條 )RESET 為復位線，高電平有效。 CS 為片選線，低電平有效。若為高電平，則 8255A 不被選中工作 ；RD 為讀命令線， WR 為寫命令線，均為低電平有效。 RD 為低電平 (WR為高電平 )則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ；為低電平 (WR 為高電平 )，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。A0 和 Al 為口地址選擇線，用于選中 PA 口、 PB 口、 PC 口和控制寄存器中的哪一個工作。并行 I/O 口線 (3 8 位 )PA 口、 PB 口、 PC 口用于和外設通信。電源線 (兩條 )VCC 為 +5V 電源線，允許變化 10%， GND 為地線。 數(shù)據(jù)總線 (8 條 )DO D7 為雙向數(shù)據(jù)總線，用于傳送 CPU 和 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€ (6 條 )RESET 為復位線，高電平有效。 CS 為片選線，低電平有效。若 CS 為高電平，則 8255A 不被選中工作 ；RD 為讀命令線， WR 寫命令線，均為低電平有效。 RD 為低電平 (WR 為高電平 )則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ；RD 為低電平 (WR 為高電平 )，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。 A0 和 Al 為口地址選擇線，用于選中 PA 口、 PB 口、 PC 口和控制寄存器中的哪一個工作。并行 I/O 口線 (3 8 位 )PA 口、 PB 口、 PC 口用于和外設通信。電源線 (兩條 )VCC為 +5V 電源線，允許變化 10%， GND 為地線。 引腳 第二功能 引腳 第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸入口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 T0(定時器 0 的外部輸入 ) T1(定時器 1 的外部輸入 ) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 除冰機器人的設計 8 2.5 時鐘電路的設計 AT89C51 單片機內(nèi)部有個振蕩器，可以用作 CPU 的時鐘源。這里系統(tǒng)時鐘選用內(nèi)部方式，因為這種方式結(jié)構緊湊、成本低廉、可靠性高。 AT89C51 內(nèi)部含有一 個高增益的反相放大器，通過 XTALI(輸入端 )、 XTAL2(輸出端 )外接作為反饋元件的片外石英晶體 (或陶瓷諧振器 )和電容 C1、 C2組成的并聯(lián)諧振電路后便構成片內(nèi)自激振蕩器，從而利用部的振蕩器產(chǎn)生時鐘。連接方法見圖 4 所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率 ；電容C1、 C2 對頻率有微調(diào)作用。電路中反饋元件選用石英晶體，電容 C1 和 C2 均為 30PF，電容的安裝位置應盡量靠近單片機。 圖 2-5 時鐘電路連接圖 圖 2-4 8255A 引腳配置 C2 C1 XTAL2 AT89C51 XTAL1 END Y1 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 9 2.6 ADC0809 引腳配置及其接口電路設計 ADCO809 芯片屬 ADC0808 系列多通道 8 位 CMOS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其芯片內(nèi)置有多路模擬開關以及通道地址譯碼和鎖存電路，因此能夠?qū)Χ嗦纺M信號進行分時采集與轉(zhuǎn)換。 ADCO809 是 8位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 28 引腳，雙列直插封裝，具有地址鎖存控制的 8路模擬開關，應用單一 +5V 電源，其模擬輸入電壓范圍為 O +5V，對應的轉(zhuǎn)換數(shù)字量為 00H FFH，轉(zhuǎn)換時間為 1OOuS，無須調(diào)零或調(diào)整滿量程。因此能夠?qū)崿F(xiàn) 8 路模擬信號的分時采集和轉(zhuǎn)換 (每個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路 )，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 A/D 轉(zhuǎn)換原理及過程 :ADC0809 最多允許 8路模擬量分時輸入，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，由 A、 B、 C 編碼選擇通道號通過最高位 (DN-1)至最低位 D0 的逐次檢測來逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣量化及編碼。采樣是使模擬信號在時間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應的二進制數(shù)碼。如 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器所采集到的 O5V 電壓轉(zhuǎn)換成為 OOH FFH 相對應的數(shù)字量。通過數(shù)字量的運算比較的結(jié)果實現(xiàn)對模擬量的測量及控制。 ADC0809 引腳配置見圖 9 所示，引腳功能如下 :INO 7 為 8 個輸入通道的模擬輸入端 ；DO D7為 8 位 數(shù)字量的輸出端 ；A、 B、 C 和 ALE 控制 8路模擬通道的切換， ALE(地址鎖存信號 )高電平時把 3 個地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應的模擬輸入通道。 A、 B、 C為輸入地址選擇線，三者編碼對應 8個通道地址。 CAB=000111分別對應 INO IN7通道地址 ；START為啟動信號，加上正脈沖后， A/D開始進行轉(zhuǎn)換 ；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，是芯片的輸出信號。轉(zhuǎn)換開始后， EOC 信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束后， EOC 返回高電平。這個信號可作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號來查詢，也可直接用作中斷請求信號 ；ENABLE(OE)為輸出允許控制端，當給 0E 端輸入高電平時，控制三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器向外部輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果 ；CLK 為時鐘信號，其典型值為 64OKHZ； VREF(+)和 VREF(-)為 A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓，由外部參考電壓源提供 (典型值為 +5V)；VCC 為電源電壓，由于是 CMOS 芯片，允許的電源范圍較寬可以從 +5 +15V， VCC 由 VCC 和 GND 引入。 由于 ADCO809 片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與 AT89C51 芯片接口，即其 8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與 CPU 數(shù)據(jù)總線相連。接口電路的硬件邏輯設計主要是處理好 A/D 引腳與 AT89C51 主機的硬件連接，以實現(xiàn) 8 路模擬信號的分時切換選通。 ADC0809 的數(shù)據(jù)線 D0 D7 可直接和 AT89C51 的數(shù)據(jù)總線 PO.O PO.7 相連接， A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由 P0 口傳送到 CPU。這里由于利用 TTL 芯片實現(xiàn)對系統(tǒng) 1/0 口線的擴展，無疑會加重 P0口負載。為了增強系統(tǒng)總線的驅(qū)動能力，特在 AT89C51 和 ADCO809 的數(shù)據(jù)線間增加雙向總線驅(qū)動芯片 74LS245，同時能夠有效地避免資源共享發(fā)生沖突。 具體連接如下 :74LS245 的 AO A7 引腳接 AT89C51 的 P0.0 P0.7 端 ；74LS245 的 BOB7引腳接 ADCO809 的數(shù)據(jù)線 DO D7；DIR 為方向控制端，這里接地 ；E 允許端也即片選端，這里接 AT89C51 的 P2.7 端。當 P2.7 端輸出低電平時， E =O 有效， AT89C51 的傳送 ；當 P2.7數(shù)據(jù)實現(xiàn) B 到 A 方向的傳送即從 ADC08O9 到 AT89C51 的傳送，當 P2.7 置高電平時 ， E 無效，三態(tài)門不通， Ai 和 Bi 成高阻態(tài)，這時數(shù)據(jù)總線可為 8255A 使用。 ADC08O9 的時鐘頻率范除冰機器人的設計 10 圍要求在 10 1280KHZ 內(nèi)，由于其內(nèi)部沒有時鐘電路，故其時鐘信號必須由外部提供。 這里 ADC08O9 的 CLK 端的時鐘信號由十進制計數(shù) /分頻器芯片 4017 十分頻后 C0 引腳提供，而 4017 的 CL 引腳 (分頻輸入端 )信號由 AT89C51 的 ALE 端提供， RST 引腳 (復位置 0端 )和 ENA 引腳均接地， QO Q9 端均懸空。 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。模擬輸入通道地址的譯碼輸入信號 A、 B、 C 由 AT89C51 的地址總線 P2.4、 P2.5、 P2.6 提供，其信號狀態(tài)決定選擇的通道。 8 路模擬通道共用一個 A/D轉(zhuǎn)換器， 8路模擬信號分時轉(zhuǎn)換，每個瞬間只能轉(zhuǎn)換 1 路，各路之間的切換由軟件變換通 道地址來實現(xiàn)。 8255A 的 PC1、 PC4 和 PC2 控制 ADC08O9 的啟動、鎖存和輸出。 PC4=1 時，送模擬通道號地址到地址鎖存器 ；PC4=0 時，地址鎖存 ；當 PC1=1 時，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 ；轉(zhuǎn)換開始后 EOC=0，轉(zhuǎn)換結(jié)束則 EOC=1；當 PC2=1 時，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。這些信號狀態(tài)由指令時序形成。 ADCO809 芯片的轉(zhuǎn)換速度在最高時鐘頻率下為 10OuS 左右，根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器與微處理器接口方式及應用系統(tǒng)本身要求的不同，實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換所需軟件的設計方法也不同。目前常用的控制方式 (即數(shù)據(jù)傳送方式 )有 :程序查詢方式、延時等待方式 (定時傳送 )和中斷方式。本系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)采用程序查詢方式， ADC0809 的 EOC 引腳接 AT89C5l 的 P3.2端。這里由微處理器向 A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動信號，然后讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù) ；否則再繼續(xù)讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號進行查詢，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。這種程序設計方法比較簡單，可靠性高，但由于微機把許多時間都消耗在“查詢”上，因而效率低，實際應用的許多系統(tǒng)對于消耗這點時間還是允許的，因此這種方法應用的比較普遍。傳送時，首先送出口地址并以 PC2 端輸出作為選通信號。當信號有效時， OE 信 號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接收。 圖 2-6 ADC08O9 管腳配置 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3 指令系統(tǒng)編程 3.1 運動及軸的指令系統(tǒng) 軸指令用來和舊的 Trio 控制器兼容。加速度率和減速度率可用 ACCEL 和 DECEL 軸參數(shù)設定。同時設定加速度率和減速度率， acc 率 : 參數(shù)單位決定于單位軸參數(shù)。加速度因子從 UNITS/SEC/SEC 輸入。修改指令是設置單軸運動指令或單軸參數(shù)讀寫。 AXIS 參數(shù)在命令行或程序行特別有效。使用 BASE 指令改變基本軸。任何有效的 BASIC 表達式特定軸數(shù)。AXIS 指令可用于修改以下指令的軸參數(shù)： ADDAX， CAM， CAMBOX， CANCEL， CONNECT， DATUM，DEFPOS， FORWARD， MOVEABS， MOVECIRC， MOVELINK， MOVE， MOVEMODIFY， REVERSE， REGIST，WAIT IDLE， WAIT LOADED。 運動控制指令 BASE（軸 1，軸 2，軸 3） BA（軸 1，軸 2，軸 3） BASE 指令用于導向下一個運動指令軸的參數(shù)讀 /寫入特定軸或軸組，設置的缺省值依次為： 0， 1， 2 每一個過程有其自己的BASE 基本軸組，每個程序能單獨賦值。 Trio Basic 程序 與控制軸運動的運動發(fā)生器分開。每個軸的運動發(fā)生器有其獨立的功能，因此每個軸能以自己的速度、加速度等進行編程，單獨運動，或者通過插補或鏈接運動鏈接在一起。 AXIS（）命令只要應用正在進行的單命令可以重新導向不同的軸。而 BASE（）指令除非規(guī)定軸號，否則導向接下來的所有指令。軸號：軸號或軸組號成為新的基準軸排列，即軸號或軸組發(fā)送運動指令給多軸指令里的第一個軸。基本軸的軸數(shù)和順序軸在軸組用于多軸運動。 CANCEL 指令取消軸插補軸組的當前運動。速度軌跡（ FORWARD， REVERSE， MOVE， MOVEABS， MOVECIRC）將會以 DECEL 參數(shù)減速直到停止。其它運動會立即停止。 DATUM 指令執(zhí)行 6種方法中的一種搜尋原點位置，其為絕對位置同時可以重置跟隨誤差。伺服驅(qū)動器機構原點搜尋用于軸 0。軸 1用于 MC 控制單元機構。 DATUM 使用 CREEP 速度和目標速度用于原點搜尋。伺服驅(qū)動器用于軸 0。爬行速度用CREEP 參數(shù)設定。目標速度用 SPEED 參數(shù)設定。原點搜尋輸入數(shù)由 DATUM_IN 參數(shù)決定，用于 3 或 7 中。 DATUM（ 0）用于軸出錯時重新啟動系統(tǒng)，位置不變。 DATUM（ 0）指令清除跟隨誤差。將當前位置設定為目標位置同 時 AXISSTATUS 狀態(tài)會被清除。注如果產(chǎn)生錯誤的問題仍然存在，誤差不能被清除。 1 軸以爬行速度（ CREEP）正向運行直到發(fā)現(xiàn) Z 信號。目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 2 軸以爬行速度（ CREEP）反向運行直到發(fā)現(xiàn) Z信號。目標位置重置為 0 同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 3 軸以目標速度（ SPEED）正向運行，直到碰到原點開關。隨后軸以爬行速度正向運動直到原點開關復位。 目標位置重置為 0 同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 4 軸以目標速度（ SPEED）反向運行，直到碰到原點開關。隨后軸以爬行速度正 向運動直到原點開關復位。 目標位置重置為 0 同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 5 軸以目標速度（ SPEED）正向運行，直到碰到原點開關。隨后軸以爬行速度正向運動直到碰到 Z 信號。 目標位置重置為 0 同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 6 軸以目標速度（ SPEED）反向運行，直到碰到原點開關。隨后軸以爬行速度正向運動直到碰到 Z 信號。 目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 除冰機器人的設計 12 MOVE 指令使一軸或多軸在目標速度，加速度和減速度下以增量的方式運動到特定位置。在多軸運動中， 速度，加速度，減速度是基于基本軸的插補運動。 特定長度的比例由轉(zhuǎn)換因子 UNITS 參數(shù)設定。例如，一軸編碼 4000edges/mm，于是軸的單元數(shù)設為 4000，MOVE（ 12.5）將會移動 12.5 毫米。 MOVE 工作在缺省軸，除非 AXIS 定義臨時基本軸。參數(shù)dist_1 定義為缺省軸， dist_2 作為另一個軸等等。通過改變軸在獨立運動，非插補，非同步可以獲得多軸運動。增量運動可以合并成連續(xù)運動軌跡，通過設置 MERGE=ON。 考慮兩軸運動，每軸速度可以由以下等式計算得到。指令 MOVE （ x1， x2） 和速度Vp由 SPEED 控制 ACCEL 和 DECEL 參數(shù)計算得 到。多軸運動距離 L。 MOVEABS 指令使一軸或多軸在目標速度，加速度和減速度下以絕對的方式運動到特定位置。在多軸運動中， 速度，加速度，減速度是基于基本軸的插補運動。特定長度的比例由轉(zhuǎn)換因子 UNITS 參數(shù)設定。例如，一軸編碼器是 4000edges/mm，于是軸的單元數(shù)設為4000， MOVEABS（ 12.5）將會從起始點移動 12.5 毫米。 MOVEABS 工作在缺省軸除非 AXIS 定義臨時基本軸。參數(shù) dist_1 定義為缺省軸， dist_2 作為另一個軸等等。通過改變軸在獨立運動，非插補，非同步可以獲得多軸運動。增量 運動可以合并成連續(xù)運動軌跡，通過設置 MERGE=ON。 考慮兩軸運動，每軸速度可以由以下等式計算得到。指令 MOVE （ ax1， ax2） 和當前位置（ ay1， ay2），速度 Vp由 SPEED， ACCEL 和 DECEL 參數(shù)計算得到。多軸運動距離 L。 每軸任何時候的獨立速度計算如下： 任意軸 I的運動距離，從用戶定義的基本軸開始。 X-Y 平面有一個筆，圓盤的位置相對與起始點固定。 REVERSE 反向連續(xù)運動，速度由 SPEED 參數(shù)設置。加速率由 ACCEL 參數(shù)設置。 REVERSE工作在缺省基本軸，除非 AXIS 定義臨時基本軸。 反向運動可以被 CANCEL 或 RAPIDSTOP 指令停止?；虻竭_反向限位，禁止或原點返回。 AXIS， CANCEL， FORWARD， RAPIDSTOP。 3.2 輸入 /輸出指令說明或編程 3.2.1 程序循環(huán)和結(jié)構循環(huán) AIN（模擬通道）從模擬輸入口讀取數(shù)值，各種模擬輸入模塊可與運動控制器連接。有的運動控制器本身具有 1 至 2 個模擬輸入。返回的值是十進位的，與讀自 A 至 D 轉(zhuǎn)換器的二進制數(shù)字相等。模擬輸入通道 0 71， 0 31， P325 CAN 模擬輸入通道 31 39，運動控制器本身模擬輸入通道， 40 71， P225 模擬輸 入子板 AIN2 通道的 S_RATE 參數(shù)可每分鐘將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成接近的值。對于 AIN1 和 AIN3 通道， T_RATE 參數(shù)可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成扭矩的百分率。生產(chǎn)線的速度由材料供給的速率決定。材料供給通過安裝有超聲傳感器裝置上松散的環(huán)安排。超聲傳感器輸出范圍在 0V 4V， 4V 時環(huán)最長，模擬輸入值盡管應為正的值但也需檢查確保大于 0。當值為負時進來的信號有噪音，由于除 FORWARD 或 REVERSE 外負速對與任一類型運動無效而引起錯誤。注意：模擬反應速度取決于所發(fā)生的模塊。 P324 以 10msec更新， P225 以 SERVO_PERIOD更新，內(nèi)置的模擬端口以 1msec 更新。如果未安裝 P325 總中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 13 線模塊， AIN(0)和 AIN(1)將讀取內(nèi)置的通道以保持與老版本的兼容。 HEX 指令用于打印語句，輸出一個十六進制格式的數(shù)。 HEX 指令不用在 MC202 或 MC216，I/O 功能 IN （ input_number ， final_input_number） / IN， IN 功能返回數(shù)字輸入的值。 IN （ input_number， final_input_number）將會返回輸入的二進制。兩個參數(shù)必須小于 24 分隔。 IN （ input_number） 包 括輸入值小于 32將會返回特定通道的值。 IN （ without arguments） 將會返回前 24 個輸入的二進制。（ IN （ 0， 23）。輸入返回的值。值是在 0 到 31的整數(shù)。最后輸入返回的值。值是在 0到 31 的整數(shù)。 I/O 功能 /指令， OP指令設置一個或多個輸出或返回前 24個輸出狀態(tài)。 OP 有三種不同形式?jīng)Q定于參數(shù)。 PRINT指令讓 Trio Basic 輸出一系列字符串到串口，或合適的光纖端口。 PRINT 指令可以輸出參數(shù)，固定 ascii 串，單個 ascii 字符串。只要多個項目用逗號，或分號分隔，都可以通過單個 PRINT 語句打印。逗號，分號控制輸出字串的格式。 結(jié)構指令 IF condition THENelseENDIFIFconditon THEN IF THEN ELSE ENDIF 結(jié)構依據(jù)條件結(jié)果控制程序流程。如果條件真，接下來的 THEN 到 ELSE 將會執(zhí)行。如果條件假， ELSE 將會執(zhí)行或程序會跳到 ENDIF 如果沒有ELSE。 ENDIF 用于標記條件段的結(jié)束。注意： IF THENELSEENDIF 過程可以沒有限制的嵌套。對于多行 IF THEN 結(jié)構， 在 THEN 后沒有任何陳述。單結(jié)構不用 ENDIF。 cindition任何有效的邏輯表達式。 commands 任何有效的邏輯表達式。 循環(huán)和條件結(jié)構指令 FOR variable=start to end step increment next variableFOR NEXT 允許將 FOR 和 NEXT 之間的部分重復執(zhí)行多次。進入這個循環(huán)，變量初始化成 start 同時指令部分開始執(zhí)行，直到執(zhí)行到 NEXT 指令。 variable 以增量方式增加。直到 step 值， step 值可正可負。如果省略認為是 1。當 variable 小于或等于 end 時。重復執(zhí)行指令區(qū)，直到 variable 大于 end。在 next 之后的程序繼續(xù)執(zhí)行。注意： FOR NEXT 在 BASIC 程序中可以嵌套 8 個指令。 variable 任何有效的 BASIC 表達式。既可以是一個環(huán)形變量或者是一個本地變量start，任何有效的 BASIC表達式 end任何有效的 BASIC表達式 increment任何有效的 BASIC表達式（可選） REPEAT， WHILE。 ON expression GOSUB label ， labelON GOSUB 結(jié)構使能條件跳轉(zhuǎn)。整數(shù)表 達式用于從列表中選擇 label。如果表達式的值是 1，使用第一個 label，對于值 2 使用第二個label，以此類推。依據(jù) GOSUB 指令執(zhí)行子程序或跳轉(zhuǎn)。如果表達式無效，不會執(zhí)行跳轉(zhuǎn)。expression 任何有效的 BASIC 表達式。 ON expression GOSUB label ， labelON GOTO結(jié)構使能條件跳轉(zhuǎn)。整數(shù)表達式用于從列表中選擇 label。如果表達式的值是 1，使用第一個 label，對于值 2使用第二個 label，以此類推。依據(jù) GOTO 指令執(zhí)行子程序或跳轉(zhuǎn)。如果表達式無效，不會執(zhí)行跳轉(zhuǎn) 。 WA （ time） WA 指令暫停程序執(zhí)行一段時間。指令只能用在程序中。 time 暫停程序的毫秒數(shù)。以下例子將輸出 11 置 OFF 兩秒鐘后輸出 17 置 ON。 WAIT UNTIL condition， WAIT UNTIL 指令重復評估條件直到變成真。此后程序繼續(xù)執(zhí)行。指令只能用在程序中。 condition 任何有效 BASIC 邏輯表達式。 While condition， WHILE WEND 結(jié)構程序之間的指令連續(xù)執(zhí)行，直到條件變成 FALSE。除冰機器人的設計 14 此時程序會繼續(xù)執(zhí)行 WEND 后的程序。注意： WHILE WEND 可以無限制嵌 套。 Condition可以出現(xiàn)任何有效的邏輯 BASIC 表達式。 3.2.2 恒量 常數(shù)， FALSE 常數(shù)返回數(shù)值零。常數(shù)為只讀。 test： res=IN（ 0）， OR IN（ 2）， IF res=FALSE THEN， PRINT “ input are off” ， Endif。常量 OFF 常量返回數(shù)值 0。常量為只讀。 OP （ lever，OFF），以上設置輸出名為 lever 的設置成 OFF。 常量 ON 常量返回值 1。此參數(shù)為只讀。 OP （ lever， ON）以上命令將輸出名為 lever 設置成 ON。常量 PI 常量返回數(shù)值 3.1416。此常量位只讀。 circum = 100， PRINT “ Radius =” ；circum/（ 2*PI），常量， TRUE 常量返回數(shù)值 -1。常量為只讀。 test： T = IN （ 0） AND IN ，（ 2） IF T = TRUE THENPRINT “ input are ON” ENDIF。 3.3 軸參數(shù)說明和編程 軸的參數(shù)， ACCEL 參數(shù)包括軸的加速率。單位 units/s2。參數(shù)可以是任意正數(shù)包括零。ADDAX_AXIS 參數(shù)返回由 ADDAX 連接的軸數(shù)。 此參數(shù)為只讀參數(shù)。 表 3-1 AXISSTATUS 參數(shù)包括軸的狀態(tài) 位數(shù) 描述 值 字符（用在 Motion Perfect中） 軸 0 （伺服軸） 軸 1（編碼器輸入 /輸出 /虛擬軸） 軸 2 （虛擬軸） 0 - 1 - - - - 1 跟隨誤差報警 2 W X - - 2 伺服驅(qū)動器通訊錯誤 4 A X - - 3 伺服驅(qū)動器報警 8 M X - - 4 正向限位 16 F X X X 5 反向限位 32 R X X X 6 原點搜尋 64 D X X X 7 反饋限制輸入 128 H X X X 8 跟隨誤差限制 256 E X - - 9 正向軟件限位 512 X X X X 10 反向軟件限位 1024 Y X X X 11 取消運動 2048 C X X X 12 編碼器輸出超速 4096 O - X - AXISATATUS 參數(shù)用于處理運動錯誤。 CREEP 包括軸的爬行速度。爬行速度用于進行原點搜尋。 CREEP 允許任何正值（包括 0）。 CREEP 速度單位為 units/s。使用因子轉(zhuǎn)換。當 SERVO=OFF 時寫進此軸參數(shù)允許用戶強加一個指定電壓到伺服候。 12 位 DAC 能采用的值范圍為： DAC=2048 相應于 10V 電壓， DAC=-2047 相應于 -10V 電壓， 16 位 DAC 能采用的值范圍為： DAC=32767 相應于 10V 電壓， DAC=-32768 相應于 -10V 電壓。 DECEL 參數(shù)包括軸中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 15 的減速率。單位為 units/s2。參數(shù)可以是任意正數(shù)包括零。 I_GAIN 參數(shù)包括軸的積分增益。積分輸出通過計算跟隨誤差的總和。 -缺省值是 0。疊加積分增益到伺服系統(tǒng)減少靜止或運動時的位置誤差。他可以減少超調(diào)，振動。因此適用系統(tǒng)工作在常速和慢加速的場合。為了避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，伺服增益需在 SERVO=OFF 時改變。 MPOS 參數(shù)表示用戶單位的測量位置，從 編碼器得到。這個參數(shù)可應用 DEFPOS 指令設置。 OFFPOS 參數(shù)可用于移動起始點。MPOS 在上電時重置成零。測量位置的范圍由 REPDIST 和 REP_OPTION 參數(shù)控制。 MTYPE 參數(shù)包括當前執(zhí)行的運動類型。下面給出可能值。 MTYPE 可用于決定運動是否完成或運動類型已經(jīng)改變。非空閑并不意味著軸在運動。它可以是零速運動或輔助其它軸做插補運動，而本身沒有運動。 NTYPE 參數(shù)包括緩存中下一運動的類型。一旦當前運動結(jié)束，將會執(zhí)行顯示在 NTYPE 緩存中的運動。此值與 MTYPE 的參數(shù)相同。 NTYPE 通過 CANCEL 指令取消。 OFFPOS 參數(shù)包括應用在目標位置的偏移，不影響運動。測量位置隨之改變。當系統(tǒng)加載偏移 OFFPOS 的值會被重置成零。偏移在下一伺服周期起作用。其它指令可能會在下一伺服周期之前執(zhí)行。確定這些指令不是假想已經(jīng)發(fā)生位置移動。這可以使用WAITUNTIL。 SERVO 參數(shù)決定基本軸工作在伺服控制（ SERVO=ON）還是開環(huán)控制（ SERVO=OFF）。在閉環(huán)中，運動控制算法將會輸出速度參考信號，取 在開環(huán)中，速度參考完全取決于 S_RTE 參數(shù)。 SPEED 參數(shù)包括目標速度 units/s，它可以是任意正值（包括零）。目標速度是運動指令的最大速度。 UNITS 參數(shù)包括單位轉(zhuǎn)換因子。單位轉(zhuǎn)換因子使用戶單位定義更方便，例如米，毫米或電機分辨率。軸的參數(shù)象速度，加速度，減速度和電機控制指令都以用戶單位為基礎。 注意： UNITS 參數(shù)可以是任何非零值，但是推薦用戶單位與編碼器整數(shù)脈沖相一致。改變 UNITS 將會影響軸的所有參數(shù)。 UNITS 參數(shù)保持系統(tǒng)相同的動力特性。 PP_STEP 參數(shù)包括與輸入編碼器線數(shù)成比例的整數(shù)值。輸入編碼器的線數(shù)會被 PP_STEP倍頻。比例用于匹配電 機的高分辨率或機器沿圓弧運動編碼器的線數(shù)與軸上的不同。有效范圍： -1023， -1和 1， 1023。缺省值為 1。改變 PP_STEP 的值會影響位置控制環(huán)。相應的需要修改控制增益。 除冰機器人的設計 16 4 除冰機器人的運動模塊 4.1 無線傳輸模塊 本系統(tǒng)采用的新型無線收發(fā)模塊 PTR2000 是一種超小型、超低功耗、高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。它采用串口傳輸和 FSK 調(diào)制，而且接收發(fā)射功能合一，因而抗干擾能力很強，采用低發(fā)射功率、高靈敏度設計，是目前低功率無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。 PTR2000 的工作模式是由其 內(nèi)部寄存器的設置決定的。 CS 為頻道選擇端， CS=0 時，選擇工作頻道 433.92MHz； CS=1 時，選擇工作頻道 434.33 MHz。 TXEN 為收發(fā)選擇端，為 0時接收，為 1 時發(fā)送。通信速率最高為 19.20Kbit/s，但是也可以工作在 4800bps 和 9600bps下。在本系統(tǒng)應用中，進行通信的數(shù)據(jù)量并不大，且通信距離要求并不遠，所以，采用了4800bps 的時速。主要是由于在低速的情況下，通信質(zhì)量比較高，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性也隨之得以增強。 PTR2000 的 CS， DO， DI， PWR， TXEN 直接接 AT89C52 的串 口或 I/O 口。連接時， PTR2000無線模塊的 DI端應接 AT89C52 串口的發(fā)送端 TXD， DO端應接 AT89C52 串口的接收端 RXD。 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，一般應將模塊置于發(fā)射模式，即置 TXEN 為 1，然后再等待至少 5ms（接收到發(fā)射的轉(zhuǎn)換時間需要）才可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)。發(fā)送結(jié)束后，應將模塊置于接收狀態(tài)，即置 TXEN 為 0。發(fā)射到接收的轉(zhuǎn)換時間仍為 5ms。接收到的數(shù)據(jù)可直接送到AT89C52 串口。無線收發(fā)電路如圖所示。 圖 4-1 ptr2000 接口電路 V C CCSDODIG N DPW RTX ENPT R20 00T XDR X DP 1.3P 1.4P 1.5C110. 1u FC124. 7u FL140 0u HV C C中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 17 4.2 測控系統(tǒng) 測控系統(tǒng) 中被測信號由測量探頭探測接收后，要經(jīng)歷很多道環(huán)節(jié)的處理 (在測量通道中被測量都經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)換即多次量綱的變化 )，才能輸出顯示、打印、驅(qū)動執(zhí)行器件動作。因此為了能夠顯示和打印帶有被測量量綱單位的數(shù)值，就必須進行必要的變換，這里主要是用于數(shù)字運算、顯示和打印輸出的標度變換。標度變換有各種類型，應根據(jù)實際要求來選用適當?shù)臉硕茸儞Q方法。在微機化測控系統(tǒng)中，因為被測對象的各種數(shù)據(jù)的量綱和數(shù)值與 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入值是不同的，所有這些都必須經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成 A/D 所能接收的信號O 5V，再由 A/D 轉(zhuǎn)換成 OOH OFFH 的數(shù)字量 。這些數(shù)字量并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它們僅僅對應于參數(shù)值的大小，還須把它們轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能用于運算、顯示和打印輸出。這里系統(tǒng)選用的除冰機器人傳感器為線性電壓輸出模塊，相對溫度和輸出電壓值有著相對應的線性關系，故采用線性標度標度變換。它是最常用的變換方法。其變換公式如下 : m i nm i nm axm i nm i nm ax )( YNN NXYYY 式中 Y 表示參數(shù)測量值， Ymax 表示參數(shù)量程最大值， Ymin 表示參數(shù)量程最小值， Nmax 表示Ymax 對應的 A/D 轉(zhuǎn)換后的輸入值， Nmin 表示 Ymin 對應的 A/D 轉(zhuǎn)換后的輸入值， X 表示測量值 Y 對應的 A/D 轉(zhuǎn)換值。微機按照上式從 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 X 便可以計算出被測量的數(shù)值Y 用于顯示或打印。進行標度變換，首先要賦予數(shù)據(jù)以合適的物理單位，也即一個單位轉(zhuǎn) 換系數(shù)。由于 8 位的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換范圍是 0 5v，即 0bit 對應 0v， 255bit 對應 5V，由上式可得到轉(zhuǎn)換系數(shù)為 : b i tmvb i tb i t VVK /6.190255 05 即數(shù)字量 lbit 的變化對應于電壓變化的 19.6mv。因此如求 YV 電壓所對應的數(shù)字量時，只需令 X=Y/K(bit)，再將 X 變?yōu)?16 進制數(shù)即可求得相應的數(shù)字量。控制原理圖如圖。 圖 4-2 閉環(huán)控制邏輯原理框圖 控制器 執(zhí)行元件 受控對象 檢測元件 給定值 R 反饋信號 被調(diào)量 除冰機器人的設計 18 4.3 控制功能模塊 自動閉環(huán)控制功能的實現(xiàn)是通過對傳感器輸入的 8 路模擬信號進行分時轉(zhuǎn)換、處理分析并與預設參數(shù)限值進行比較，予以判斷，滿足一定條件則執(zhí)行相應控制功能。為保證采樣值的穩(wěn)定性和可信度，并盡可能的排除尖脈沖對個別采樣點數(shù)據(jù)的影響和小的隨機干擾，可采取對每路信號連續(xù) 5 次采樣，并進行比較，按大小順序排隊除掉其中最小和最大值，然后計算剩余的 3 個數(shù)據(jù)的算術平均值，將其作為該路傳感器的可用濾波輸出值，進行后續(xù)處理。除冰機器人運動判定 流程圖見圖。 目前在我國條件下，除冰機器人工程自動監(jiān)控系統(tǒng)宜采用定時除冰。本模塊便可以自行設定不同時長的運動模式進行自動定時除冰。模塊運行分別對各定時小時的除冰起止時間和除冰停止運行時間進行合法性判定，當讀出的除冰時間大于設定的起始時間，將其視為非法，不予啟動除冰，相反則啟動除冰至設定除冰終止時間。傳感器自動閉環(huán)控制是根據(jù)傳感器自動采集的冰信息數(shù)據(jù)與預定值作比較，以決定輸出控制的，可以是點控制也可以是段控。這里為段控，其可實現(xiàn)冰厚度值保持在一個預設的范圍內(nèi)，段值可自行設定。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 19 Y Y N Y N 冰的厚度越限 停止除冰 冰的厚度值越限報警 開 始 冰的厚度值是否低于下限值 冰的厚度值是否高于上限值 是否到達定時 除冰 返回 N 圖 4-3 除冰運動判定程序流程圖 除冰機器人的設計 20 4.4 系統(tǒng)軟件的設計 微機化測控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)要通過軟件來完成，控制軟件是系統(tǒng)控制思想的具體體現(xiàn)。當控制論要求發(fā)生改變時，只需修改相應軟件即可實現(xiàn)預期的控制功能，而控制軟件的設計要使用一定的語言來完成。目前支持單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的語言一般有機器語言、匯編語言和高級語言 (如 C51、 PL/M51 等 )。但由于微機化測控系統(tǒng)的實時性很強，而采用匯編語言可以準確計算出控制操作時間，滿足實時性要求，故多采用匯 編語言編寫系統(tǒng)程序。在用匯編語言編程時，編程者可以直接操作到機器內(nèi)部的寄存器及存儲單元，能把處理過程刻劃的非常具體，通過優(yōu)化能編制出高效程序，既可節(jié)省存儲空間又可提高程序執(zhí)行速度，在空間和時間上都充分發(fā)揮了微型機的潛力。 目前，常用的開發(fā)軟件有 Intel 公司的 ASM51、美國 Cybernetic、 MicroSystem Inc 公司的 Cys8051 等。這里針對系統(tǒng)實時性強的特點，系統(tǒng)軟件的開發(fā)全部采用 Intel 公司的ASM51 匯編語言進行。 這里系統(tǒng)程序的開發(fā)，采用了流行的模塊化設計方法。在程序設計中，可根據(jù) 系統(tǒng)功能，將整個軟件系統(tǒng)劃分為若干個功能相對獨立易于解決的模塊，每個模塊是一個結(jié)構完整，相對獨立的程序段，能完成某一規(guī)定的任務，實現(xiàn)某個具體的功能。采用模塊化編程的方法可使程序易于編寫、維護調(diào)試和修改，便于程序員分工。模塊化程序結(jié)構清晰，組合靈活，可讀性好，易于驗證，可靠性高，便于功能擴充和版本升級，程序的修改可局部進行，還可建立頻繁調(diào)用的子程序。系統(tǒng)軟件的設計，按功能可劃分為以下程序和子程序 :鍵盤監(jiān)控管理子程序、控制功能子程序、控制設定程序、系統(tǒng)監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)檢測程序數(shù)據(jù)處理程序等。下面分別就主要程序模塊 的編程思想和方法加以闡述。 整個系統(tǒng)的軟件可分為外設初始化模塊、系統(tǒng)參數(shù)設置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和控制模塊五部分 ,軟件流程圖如圖所示。 外設初始化模塊主要完成液晶顯示屏、串行實時時鐘芯片及其它外設的初始化。參數(shù)設置功能模塊主要完成控制參數(shù)設置。數(shù)據(jù)存儲模塊完成除冰機器人傳感器的 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的存儲。 單片機初始化完成以后 ,發(fā)出指令采集 冰塊數(shù)據(jù) ,經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后 ,將轉(zhuǎn)換的電壓值 送入控制模塊進行比較判斷 ,比較時參照預先設定 的溫度平衡位置的電壓范圍 ,電壓值若處于平衡范 圍內(nèi) ,則單片機發(fā)出指令 ,系統(tǒng) 按照原來的 除冰 時間 和除冰順序進行除冰 ,如果超出這個范圍 ,則判斷偏 離濕度平衡位置的方向 ,發(fā)出指令根據(jù)預先設定的 參數(shù)值來調(diào)整除冰時間和除冰順序。整個系統(tǒng)不停的除冰、比較判斷、調(diào)整 ,最終使 冰的厚度 保持在 希望的范圍內(nèi)。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 21 上 電 外設初始化 設置控制參數(shù)？ 系統(tǒng)啟動否？ Y 系統(tǒng)參數(shù)設置模塊 讀除冰機器人傳感器的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 調(diào)用控制模塊 調(diào)用控制輸出模塊，將信號輸出 N 圖 4-4 控制系統(tǒng)程序框圖 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)顯示 除冰機器人的設計 22 4.5 系統(tǒng)監(jiān)控程序設定 系統(tǒng)監(jiān)控程序是系統(tǒng)的主程序，它是系統(tǒng)程序的框架，控制著單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉(zhuǎn)。監(jiān)控程序的主要作用是能及時的響應來自系統(tǒng)內(nèi)部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)自身軟 硬件及人機對話設備與系統(tǒng)中其它設備交換信息，并在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，及時作出相應處理。 系統(tǒng)監(jiān)控程序的組成主要取決于測控系統(tǒng)的組成模塊以及系統(tǒng)的硬件配備與功能，但習慣上監(jiān)控程序主要是指鍵盤解析程序，而其它功能都分散在某些特定功能模塊中。主要工作流程為 :系統(tǒng)上電后完成自檢進入初始化狀態(tài)，然后進入鍵盤檢測和掃描，如有鍵按下則轉(zhuǎn)入鍵盤解析程序。其程序流程圖如圖。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 23 開 始 上電復位自檢 自檢是否有誤？ 系統(tǒng)初始化 冰塊采樣計算 顯示時鐘 監(jiān)控模塊 冰塊厚度判定 返回 顯示錯誤 返回 Y N 圖 4-5 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖 除冰機器人的設計 24 參考文獻 （ 1）張屹，邵威，高虹亮，羅成 . 高壓輸電線路除冰機器人的機構設計 J.三學大學學報， 2008.12，Vol.30 No.6： P69-72. （ 2）高虹亮，孟遂民，羅成，馬小強 .架空輸電線路除冰機器人的結(jié)構設計 J.電力建設， 2009.3， Vol.30 No.3： P93-96. （ 3）甘辰予，陳勁生 .LEGO 智能除冰機器人的設計 J.大眾科技， 2009.10， No.10. （ 4）蔣正龍，陸佳政，雷紅才，黃福勇 . 湖南 2008 年冰災引起的倒塔原因分析 J.高電壓技術， 2008.11，Vol.34 No.11： P2468-2474. （ 5） 吳功平，肖曉暉，肖華，戴錦春，鮑務均，胡杰 . 架空高壓輸電線路巡線機器人樣機研制 J.電力系統(tǒng)自動化， 2006.7.10， Vol.30 No.13： P90-107. （ 6）張運楚，梁自澤，譚民 . 架空電力線路巡線機器人的研究綜述 J.機器人， 2004.9， Vol.26 No.5:P467-473. （ 7）許源 劉人瑋 李軍 . 湖南電網(wǎng)防凍融冰體系改革之探討 J.2003,Vol.23 No.5:P24-27. （ 8）李紅旗，陳志高，于欽剛，李翔，陳 懿夫 . 輸電線路機械除冰技術研究 J.自然災害對電力設施的影響與應對研討會 2008.5,Vol.23 No.5:P24-27 （ 9）李寧，周羽生，鄺江華，彭琢 . 輸電線路除冰技術的研究 J. 防災科技學院學報 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