畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于虛擬儀器的光合有效輻射自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

1、摘 要虛擬儀器技術(shù)是一種與計(jì)算機(jī)結(jié)合的新型儀器技術(shù)?；谟?jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)儀器總線技術(shù)的測(cè)量技術(shù)使其有功能多、靈活性強(qiáng)、速度快、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家儀器公司（national instruments，ni）推出面向測(cè)量?jī)x器的控制和管理的labview虛擬儀器軟件平臺(tái)，集測(cè)量、管理和控制于一身。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方面，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。工程學(xué)院精細(xì)農(nóng)業(yè)研究室的“果樹(shù)仿形噴施農(nóng)藥方法與技術(shù)研究”國(guó)家自然基金課題研究是精確農(nóng)業(yè)的一個(gè)方向，關(guān)于測(cè)量農(nóng)作物生物量方面將使用虛擬儀器。本設(shè)計(jì)是課題的一部分，設(shè)計(jì)利用ni公司開(kāi)發(fā)的labview軟件

2、和相關(guān)硬件，設(shè)計(jì)生物量測(cè)量的自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制定位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)處理。首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分，選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，滾珠螺桿與皮帶皮帶輪作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。還包括整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將所有的控制元件集成整體模塊，通過(guò)冷卻風(fēng)扇將元件集成模塊控制在一定的溫度范圍，以維持整體機(jī)構(gòu)正常的工作狀態(tài)。其次設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分，根據(jù)數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)行列式掃描的要求，布局整體設(shè)計(jì)思路，根據(jù)設(shè)計(jì)思路再設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的控制線路。數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)基于labview虛擬儀器軟件的編程和ni公司開(kāi)發(fā)的配套硬件數(shù)據(jù)采集卡daq結(jié)合為基礎(chǔ)，編輯程序產(chǎn)生信號(hào)控制繼電器開(kāi)關(guān)選擇電機(jī)與

3、電機(jī)正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)工作與數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)控制。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)工作實(shí)況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，誤差能控制在允許范圍內(nèi)，也證明本系統(tǒng)能達(dá)到定位精度高，行走穩(wěn)定，采集點(diǎn)均勻等實(shí)驗(yàn)要求，能保證質(zhì)量完成該實(shí)驗(yàn)的任務(wù)。機(jī)構(gòu)性能可靠、功能變動(dòng)靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，除了在精確農(nóng)業(yè)研究方面可作為數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)外，在其他方面可以作為自動(dòng)定位系統(tǒng)運(yùn)用，同時(shí)也為合作小組關(guān)于木板自動(dòng)分選系統(tǒng)的木板自動(dòng)送出機(jī)構(gòu)提供方案。關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 虛擬儀器 labview 數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu) 編程 自動(dòng)定位1 前言11.1 介紹科學(xué)農(nóng)業(yè)背景11.1.1 關(guān)于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化11.1.2 關(guān)于精確農(nóng)業(yè)11.1.3 關(guān)于葉面積指數(shù)

4、lai與光合有效輻射par21.2 介紹虛擬儀器31.2.1 虛擬儀器的發(fā)展31.2.2 虛擬儀器的特點(diǎn)31.2.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)41.3 介紹labview51.3.1 labview簡(jiǎn)介51.3.2 labview與其他編程語(yǔ)言比較61.3.3 labview的特點(diǎn)62 目標(biāo)任務(wù)與總體方案設(shè)計(jì)72.1 目標(biāo)任務(wù)72.2總體方案設(shè)計(jì)72.3 總體布局83 系統(tǒng)硬件部分93.1 問(wèn)題的提出與探討93.2 行走機(jī)構(gòu)各部件選擇方案擬定103.2.1 導(dǎo)軌與皮帶傳動(dòng)裝置的選擇103.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇103.3 y方向?qū)к壟c步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算143.3.1 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算143.3.2 步進(jìn)

5、電機(jī)的相關(guān)計(jì)算163.4 電機(jī)與導(dǎo)軌裝備方式設(shè)計(jì)203.4.1 聯(lián)軸器選擇203.4.2 法蘭盤(pán)設(shè)計(jì)203.5 x方向傳動(dòng)皮帶與電機(jī)的選擇計(jì)算213.5.1 決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)213.5.2 確認(rèn)電機(jī)所要求的規(guī)格213.5.3 必要轉(zhuǎn)矩計(jì)算224 系統(tǒng)軟件部分234.1 系統(tǒng)線路總體布局234.2 軟件編程234.2.1 編程思路234.2.2 具體程序234.2.3電機(jī)工作狀態(tài)設(shè)置分析234.3 控制器與驅(qū)動(dòng)器工作箱234.3.1 驅(qū)動(dòng)器選擇234.3.2 工作箱布局234.3.3 布局設(shè)計(jì)說(shuō)明234.3.4 冷卻風(fēng)扇選擇235 設(shè)計(jì)相關(guān)簡(jiǎn)介235.1 測(cè)試環(huán)境概述235.2 光合有效輻射儀選擇2

6、35.3 par數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理介紹236 結(jié)論與討論236.1 測(cè)試部分236.2 定位機(jī)構(gòu)部分23致 謝23參 考 文 獻(xiàn)23英文摘要23附錄231 前言1.1 介紹科學(xué)農(nóng)業(yè)背景1.1.1 關(guān)于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化(1)二十一世紀(jì)是科學(xué)的世紀(jì)二十一世紀(jì)是科學(xué)的世紀(jì)，是自動(dòng)化，智能化，信息化，高科技的世紀(jì)，我們的生活質(zhì)量在這些科學(xué)技術(shù)的不斷更新與發(fā)展中改進(jìn)，各個(gè)領(lǐng)域都以科學(xué)武裝的形式進(jìn)行著翻天覆地的革新！“人以食為天”，農(nóng)業(yè)是其他產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也離不開(kāi)科技的支持，科學(xué)技術(shù)的使用使農(nóng)業(yè)科技也在不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，是一場(chǎng)偉大的技術(shù)革命，它的核心是工具和其他技術(shù)手段的變革。(2)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)現(xiàn)

7、代化最顯著的特征是要在生產(chǎn)中大量采用各種先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)和新材料，即現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)要由工業(yè)部門(mén)投入大量物資，用現(xiàn)代工業(yè)的裝備武裝農(nóng)業(yè)。從世界范圍來(lái)看，由現(xiàn)代技術(shù)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化最重要的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化包括的內(nèi)容很多，大體可歸納為：農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)工廠化、農(nóng)業(yè)電氣化與信息化以及農(nóng)業(yè)和技術(shù)裝備的一體化。(3)農(nóng)業(yè)信息化計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)將使“從事生物性生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)的分散性、地域性、變異性、經(jīng)驗(yàn)性以及穩(wěn)定性和可控程度差等的影響自身發(fā)展的行業(yè)性弱勢(shì)得到全面的改善”。信息技術(shù)不僅可為農(nóng)戶(hù)廣泛提供科技、生產(chǎn)、市場(chǎng)咨詢(xún)服務(wù)，向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及農(nóng)業(yè)主管領(lǐng)導(dǎo)提供有效利用農(nóng)業(yè)資源、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程和科學(xué)經(jīng)

8、營(yíng)管理決策，將現(xiàn)有單項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行綜合組裝配套實(shí)現(xiàn)高層次的科技創(chuàng)新，全面提高農(nóng)業(yè)和農(nóng)村科技的總體水平。正確信息對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多方面的預(yù)期性是科學(xué)農(nóng)業(yè)一個(gè)重要特征，這樣可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)避免盲目性與探索性，減少農(nóng)業(yè)投資風(fēng)險(xiǎn)，使農(nóng)業(yè)資源有效利用，進(jìn)行科學(xué)農(nóng)業(yè)。1.1.2 關(guān)于精確農(nóng)業(yè)(1)精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷史在20世紀(jì)70年代美國(guó)開(kāi)始注意土壤和農(nóng)作物條件的變化與改善管理的關(guān)系，1992年明尼蘇達(dá)大學(xué)土壤系在程惠賢教授指導(dǎo)下開(kāi)始使用“precision agriculture（pa）”一詞，并為學(xué)校、公司、政府機(jī)構(gòu)普遍接受?，F(xiàn)在pa的研究及應(yīng)用涉及土壤、氣候、病蟲(chóng)害、地理統(tǒng)計(jì)、地貌模型（dem）、gps、rs

9、、gis等等與pa有關(guān)的各個(gè)方面。 “精確農(nóng)業(yè)”已發(fā)展成新的農(nóng)業(yè)工業(yè)，并在世界范圍內(nèi)形成的新的農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展道路。精確農(nóng)業(yè)是一個(gè)整體的系統(tǒng)概念，目前已應(yīng)用的只是其中的少部分。(2)精確農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展前景精確農(nóng)業(yè)的基本涵義是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類(lèi)農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。精確農(nóng)業(yè)將3s技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，逐步實(shí)現(xiàn)

10、精確化、集約化、信息化的現(xiàn)代控制農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整土壤和作物的各項(xiàng)管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源，給農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣實(shí)施帶來(lái)革命性的變革精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)包括全球定位系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)gis，遙感系統(tǒng) rs，作物生產(chǎn)管理專(zhuān)家決策系統(tǒng)，田間肥力、墑情、苗情、雜草及病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)及信息采集處理技術(shù)設(shè)備等等，其中帶gps系統(tǒng)的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)：如帶產(chǎn)量傳感器及小區(qū)產(chǎn)量生成圖的收獲機(jī)械；自動(dòng)控制精密播種、施肥、噴灑農(nóng)藥機(jī)械等等是近年來(lái)研究的熱門(mén)項(xiàng)目。1.1.3 關(guān)于葉面積指

11、數(shù)lai與光合有效輻射par 葉面積指數(shù)(leaf area index, 簡(jiǎn)稱(chēng)lai)定義為單位土地面積上單面的植物光合組織面積，lai是無(wú)量綱的，此值越大，表示葉子交錯(cuò)重疊程度越大。在一定范圍內(nèi)，植物干物質(zhì)量隨葉面積指數(shù)的增加而增加，但當(dāng)葉面積指數(shù)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，由于葉片之間的相互重疊，有效的光合葉面積不在隨葉面積指數(shù)的增加而增加，而隨葉面積指數(shù)的增加，呼吸作用消耗量卻隨之增加，造成植物干物質(zhì)量會(huì)下降。因而合理密植，適時(shí)進(jìn)行修剪，適量施肥，以提高有效光合面積，減少呼吸消耗量是提高產(chǎn)量的重要措施?？傒椛渲心鼙痪G色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的能量稱(chēng)為光合有效輻射qpar（quality of p

12、hotosynthesis availability radiancy，簡(jiǎn)稱(chēng)par），常用光合有效輻射系數(shù)表示光資源中被植物利用，參與光合作用的比例。在植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中，光輻射因子起著重要的作用。首先輻射是植物光合作用的能源，影響著光合作用過(guò)程中形成的產(chǎn)量與產(chǎn)品的質(zhì)量。其次，光作為一種起調(diào)節(jié)作用的，還對(duì)植物的形態(tài)生產(chǎn)與發(fā)展、葉子的形狀與大小以及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變速度起著重要作用。因此國(guó)際上普遍重視這一問(wèn)題的研究，在農(nóng)林業(yè)，畜牧業(yè)方面對(duì)此問(wèn)題的研究有重大意義，特別是農(nóng)業(yè)方面關(guān)于葉面積指數(shù)lai（leaf area index）的測(cè)定。估計(jì)一個(gè)植物冠層的健康狀況時(shí)光合有效輻射（par）和

13、葉面積指數(shù)（lai）的測(cè)量都非常重要。通過(guò)光合有效輻射的測(cè)量，可以知道植物光合作用利用光能的大小，而通過(guò)葉面積指數(shù)測(cè)量可以知道植物冠層的生長(zhǎng)狀況好壞并表明生物量大小。通過(guò)光合有效輻射測(cè)量?jī)x測(cè)量植物葉片的光合有效輻射，同時(shí)也就能計(jì)算葉面積指數(shù)。本設(shè)計(jì)是國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“果樹(shù)仿形噴施農(nóng)藥的方法與技術(shù)研究”的一部分，“果樹(shù)仿形噴施農(nóng)藥技術(shù)研究對(duì)我國(guó)精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要意義！對(duì)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展也有重大意義。”本設(shè)計(jì)的目的就是“利用現(xiàn)代科技改進(jìn)植物生物量（par與lai）的測(cè)量方法，提高測(cè)量速度與效率?！保ê樘韯?，2005）1.2 介紹虛擬儀器1.2.1 虛擬儀器的發(fā)展20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)國(guó)家

14、儀器公司（national instruments，ni）首先提出了“軟件就是儀器”（the software is the instrument）這一虛擬儀器概念。虛擬儀器vi（virtual instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)vi）也被稱(chēng)為個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，為用戶(hù)定義、構(gòu)造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。它通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化的通用模塊硬件結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，從而完成對(duì)被測(cè)對(duì)象

15、的采集、分析、判斷、顯示數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)等。 “通用計(jì)算機(jī)上的一組軟件或硬件，使用者操縱這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像它是自己的一臺(tái)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠商定義，用戶(hù)無(wú)法改變的局面。它是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破?！保ㄇ貥?shù)人，2000；benneff，1993）。1.2.2 虛擬儀器的特點(diǎn)在虛擬儀器技術(shù)發(fā)展中有兩個(gè)突出方面，一是vxi總線標(biāo)準(zhǔn)的建立和推廣；二是圖形化編程語(yǔ)言的出現(xiàn)和發(fā)展。前者從儀器的硬件框架上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)先進(jìn)的分析與測(cè)量?jī)x器所必須的總線結(jié)構(gòu)，后者從軟件編程上實(shí)現(xiàn)面向工程師的圖形化而非程序代碼的編程方式，兩者統(tǒng)一形成虛擬儀器的基礎(chǔ)規(guī)范。 要保證虛擬儀器具備與傳統(tǒng)儀器匹配的實(shí)

16、時(shí)處理能力和兼容性，取決于傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的總線結(jié)構(gòu)。虛擬儀器中的分析功能是由計(jì)算機(jī)來(lái)控制的，所以接口總線的速度和兼容性是關(guān)鍵，vxi總線標(biāo)準(zhǔn)的建立，使得用戶(hù)可以從訪問(wèn)寄存器來(lái)設(shè)計(jì)和安排儀器功能，也使得用戶(hù)化儀器功能設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。采用普通pc總線，尤其是工業(yè)pci總線的虛擬儀器也在不斷發(fā)展，這類(lèi)虛擬儀器主要面向一般工業(yè)控制，過(guò)程監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。軟件技術(shù)的發(fā)展和有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的建立也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)發(fā)展，在gpib接口總線出現(xiàn)以后，關(guān)于程控儀器的句法格式、信息交換協(xié)議和公用命令的標(biāo)準(zhǔn)化，一直是人們關(guān)心的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)程序命令（scpi）標(biāo)準(zhǔn)的建立，向解決程控命令與儀器廠家無(wú)關(guān)這一目標(biāo)邁進(jìn)了重要的一步。

17、 過(guò)去儀器驅(qū)動(dòng)都是由儀器廠家專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，缺乏標(biāo)準(zhǔn)，使得用戶(hù)在儀器軟件方面的投資得不到保護(hù)。為此，國(guó)際上專(zhuān)門(mén)制定了虛擬儀器軟件體系（visa）標(biāo)準(zhǔn)，建立了與儀器接口總線無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)i/o軟件，與labview、hpvee、lab windows等先進(jìn)開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件相適應(yīng)。開(kāi)發(fā)一個(gè)用戶(hù)定制的虛擬儀器在軟件技術(shù)上已經(jīng)成熟。虛擬儀器是由用戶(hù)自己定義、自由組合的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)所需的附件，由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。比較兩者如下：表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較（ni，1997）傳 統(tǒng) 儀 器虛 擬 儀 器開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高價(jià)格昂貴軟件使開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用較低、性?xún)r(jià)比高、可

18、復(fù)用技術(shù)更新周期長(zhǎng)(510年)技術(shù)更新周期短(0.51年)硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵廠商定義儀器功能用戶(hù)定義儀器功能數(shù)據(jù)無(wú)法編輯數(shù)據(jù)可編輯存儲(chǔ)打印封閉、固定開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展功能單一、操作不便自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)距離傳輸功能特定，與其它設(shè)備連接受到限制可用網(wǎng)絡(luò)與周邊各儀器建立連接1.2.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器測(cè)控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶(hù)界面的軟件之間的有效結(jié)合。它的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。硬件接口模塊包括插入式數(shù)據(jù)采集卡(daq)、串，并口、ieee488接口(gpib)卡、vxi控制器等等。較為常用的虛擬儀器

19、系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、gpib儀器控制系統(tǒng)、vxi儀器系統(tǒng)，以及這三者的任意組合。硬件僅僅是為解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵(tom williams,1996)。圖1 ni公司提出的虛擬儀器的組成其結(jié)構(gòu)如圖所示，圖1是ni公司所描繪的虛擬儀器的基本組成以及相互之間的關(guān)系，圖2是虛擬儀器的一般硬件組成圖。圖2 虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)綜觀虛擬儀器的發(fā)展與運(yùn)用領(lǐng)域，以及與傳統(tǒng)儀器特點(diǎn)比較，預(yù)示著“現(xiàn)代儀器發(fā)展的新階段，未來(lái)儀器的發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器！”（王 承,何志偉,許東芹，2001）1.3 介紹labview1.3.1 labview簡(jiǎn)介在虛擬儀器中通過(guò)編寫(xiě)不同的軟件配合硬件構(gòu)造一個(gè)虛擬儀器

20、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的功能。構(gòu)造和使用vi程序（虛擬儀器程序）的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件，這是因?yàn)閼?yīng)用軟件為用戶(hù)構(gòu)造或使用vi提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶(hù)接口。labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)（集成環(huán)境）（laboratory virtual instrument engineering workbench）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ni）開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程環(huán)境（graphical development environment）軟件產(chǎn)品，可運(yùn)行于多種系統(tǒng)，是一種靈活有效的儀器控制和數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。labview在一般

21、vi應(yīng)用中充當(dāng)?shù)木褪擒浖淖饔?。（鄧焱?004）1.3.2 labview與其他編程語(yǔ)言比較傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言如c、c+和visual basic等所有基于文本的高級(jí)語(yǔ)言都存在的一個(gè)根本性問(wèn)題是要求使用儀器的用戶(hù)必須將他們關(guān)于儀器和應(yīng)用的知識(shí)轉(zhuǎn)化翻譯成程序代碼以形成測(cè)試程序，只有這樣才可以應(yīng)用它。這個(gè)過(guò)程對(duì)那些很少編程或沒(méi)有什么編程經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)是麻煩事，對(duì)于典型文本式語(yǔ)言一定要經(jīng)過(guò)某種程度的正規(guī)培訓(xùn)才能掌握使用，這樣就給用戶(hù)進(jìn)行程控儀器編程帶來(lái)許多負(fù)擔(dān)。圖形化編程環(huán)境正是科研工作者理想的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。當(dāng)今，應(yīng)用軟件流行的趨勢(shì)之一是圖形化編程環(huán)境。labview的誕生證明了這點(diǎn)。labview廣泛應(yīng)

22、用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)表達(dá)等方面，對(duì)軟件對(duì)象“虛擬儀器（vi）” 進(jìn)行圖形化的組合操作。labview程序的執(zhí)行順序是按數(shù)據(jù)流的方式確定的，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行。在虛擬儀器設(shè)計(jì)中，從控制模板中選取所需的控制及顯示對(duì)象構(gòu)建出儀器的操作界面；在功能模板中選取適當(dāng)?shù)墓δ苣K并進(jìn)行必要的連接與設(shè)置，程序的模塊化與層次化更為直觀。1.3.3 labview的特點(diǎn)綜上，g語(yǔ)言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大的差別在于編程方式。g語(yǔ)言編寫(xiě)的程序稱(chēng)為虛擬儀器 vi，因?yàn)樗慕缑婧凸δ芘c真實(shí)儀器十分相像，在labview環(huán)境下開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序都被冠以 .vi后綴，以表示虛擬儀器的含義。labview具有如下特

23、點(diǎn)：(1)打破了傳統(tǒng)儀器的“萬(wàn)能”功能概念；(2)強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念；(3)儀器由用戶(hù)自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改、增減，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接；(4)鑒于虛擬儀器的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化，用戶(hù)可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)；(5)支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，在不同系統(tǒng)平臺(tái)上，ni公司都提供了相應(yīng)版本的軟件，并且平臺(tái)之間開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可直接進(jìn)行移植。(6)網(wǎng)絡(luò)功能：labview支持tcp/ip、dde和iac等功能（金鑫，2004；王常廷，1996）。2 目標(biāo)任務(wù)與總體方案設(shè)計(jì)2.1 目標(biāo)任務(wù)在前面已經(jīng)介紹了科學(xué)農(nóng)業(yè)精確農(nóng)業(yè)的對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)

24、意義，葉面積指數(shù)（lai）和光合有效輻射（par）的測(cè)量在生物研究學(xué)上的重要作用，基于虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器有如此突出的特點(diǎn)，ni公司開(kāi)發(fā)的labview軟件和相關(guān)的數(shù)據(jù)采集卡、集成硬件模塊在虛擬儀器界領(lǐng)先的水平，本設(shè)計(jì)將采用labview編程，6024e數(shù)據(jù)采集卡配合相關(guān)數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集傳感器，信號(hào)調(diào)理模塊scxi，設(shè)計(jì)必需的控制電路，進(jìn)行在特定測(cè)試環(huán)境（仿真樹(shù)和人造太陽(yáng)）下進(jìn)行特定要求（在一定區(qū)域內(nèi)均勻精確采集一定量的點(diǎn)）與方式進(jìn)行生物量（par值）的測(cè)量。具體敘述在以下各章節(jié)。2.2總體方案設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)根據(jù)需要設(shè)計(jì)準(zhǔn)備如下部件以及各部分功能：(1)硬件：ni公司數(shù)據(jù)采集卡daq（data

25、 acquisition,簡(jiǎn)稱(chēng)daq）6024e型號(hào)，引出引腳提供控制電路、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理與計(jì)算機(jī)連接的通道；個(gè)人計(jì)算機(jī)，提供人機(jī)交換的界面，提供數(shù)據(jù)分析處理與信號(hào)發(fā)生傳送的中央處理單元；(2)軟件：labview，編程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制與操作，包括對(duì)數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制編程， 對(duì)光合有效輻射數(shù)據(jù)采集并處理分析；(3)信號(hào)調(diào)理（scxi）部分：對(duì)于一些由數(shù)據(jù)采集設(shè)備難于測(cè)量的信號(hào)，使用信號(hào)調(diào)理可以使它們改變成易于測(cè)量的信號(hào)，是否使用信號(hào)調(diào)理取決于被測(cè)信號(hào)的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)主要用來(lái)調(diào)理光合有效輻射儀器采集的微電壓信號(hào)；(4)控制與采集線路部分：包括光合有效輻射儀數(shù)據(jù)傳輸線路部分，選擇電機(jī)與控制電機(jī)

26、正反轉(zhuǎn)的繼電器電路部分，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部分；(5)數(shù)據(jù)采集傳感器部分：即光合有效輻射儀，通過(guò)模擬信號(hào)（連續(xù)變化的光合輻射值）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)（采集時(shí)間點(diǎn)所采集經(jīng)轉(zhuǎn)化的電壓值），即進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換（analog/digital轉(zhuǎn)換，a/d轉(zhuǎn)換）。光電效應(yīng)將光合輻射值轉(zhuǎn)化為電壓值數(shù)據(jù)方便采集，進(jìn)而方便par值的轉(zhuǎn)化計(jì)算與處理；(6)數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)部分：步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)軌皮帶傳動(dòng)共同構(gòu)成行走機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在一定面積范圍內(nèi)均勻精確地采集一定量的點(diǎn)的數(shù)據(jù)值（光合有效輻射）；(7)測(cè)試環(huán)境部分：包括仿真樹(shù)與人造太陽(yáng)（高亮度高平行度氙燈），提供理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)分析具科學(xué)性與準(zhǔn)確性；(8)工作箱與冷卻風(fēng)扇部分

27、：所有的控制電路元器件必需合理放置與布局，集成統(tǒng)一整體，為確保所有的發(fā)熱元器件正常工作必需有冷卻與散熱通風(fēng)系統(tǒng)。2.3 總體布局圖3是本設(shè)計(jì)的總體布局，大致分兩大路線，1.控制數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)行走路線2.數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理路線（測(cè)試環(huán)境與測(cè)試計(jì)算是本組設(shè)計(jì)的合作課題，這里只概括論述，在后面測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)介）。介紹與說(shuō)明如下： 圖3 設(shè)計(jì)總體布局圖 labview軟件部分、計(jì)算機(jī)顯示與操作部分； 數(shù)據(jù)采集卡6024e（內(nèi)裝，兩塊）；6024e68位標(biāo)準(zhǔn)接線口集成板塊；信號(hào)調(diào)理模塊（scxi）；電機(jī)控制與控制裝備冷卻部分；光合有效輻射儀（par）；數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)（電機(jī)a與b、導(dǎo)軌、皮帶傳動(dòng)）。（接線部分

28、將在附圖電路圖詳細(xì)說(shuō)明）總體原理框圖如圖4，箭頭線表示數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸方向：圖4 總體原理框圖3 系統(tǒng)硬件部分3.1 問(wèn)題的提出與探討本試驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)生物量par測(cè)量采樣儀器在一定面積范圍內(nèi)移動(dòng)取點(diǎn)采樣，即通過(guò)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)par傳感器在一定的植物冠層投影范圍內(nèi)移動(dòng)取點(diǎn)采樣，測(cè)量相關(guān)par值，采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理框架圖如圖5。 （以lab view為處理平臺(tái)的計(jì)算機(jī)） 行走機(jī)構(gòu)控制單元數(shù)據(jù)采集處理單元數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集傳感器傳輸控制信號(hào)傳輸采集數(shù)據(jù)帶動(dòng)圖5 機(jī)構(gòu)工作原理框架圖圖6行走路線圖7 x-y工作臺(tái)y方向x方向因此對(duì)裝置的轉(zhuǎn)速、運(yùn)行周期、停止位置精度，

29、電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性、速度控制等特性皆有要求。要求采集點(diǎn)的行走機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確，分辨率高，行走輕便，急停時(shí)間短，急停波動(dòng)小，必須考慮選擇高精度與高分辨率的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)裝置。行走機(jī)構(gòu)通過(guò)s形行走路線實(shí)現(xiàn)平面掃描均勻采點(diǎn)（圖6），要求在橫豎方向達(dá)到1m0.3m的面積，采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)要求10030=3000個(gè)，設(shè)計(jì)采用x-y型工作臺(tái)，工作原理如圖7?，F(xiàn)在考慮方案為上下行走機(jī)構(gòu)重疊的方式（x-y工作臺(tái)方式），原因是在1m0.3m的面積上0.3m的寬度分別設(shè)立機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行資金比較浪費(fèi)，而且行走位置精度不夠高。對(duì)于此類(lèi)小型機(jī)構(gòu)選用重疊式比較可行具體分析在以下計(jì)算。3.2 行走機(jī)構(gòu)各部件選擇方案擬定3.2.1 導(dǎo)軌

30、與皮帶傳動(dòng)裝置的選擇采集點(diǎn)的行走機(jī)構(gòu)主要是定位要準(zhǔn)確，而非負(fù)載上的要求，所以選擇高精度與高分辨率的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)平面s形掃描采點(diǎn)，要求在橫豎方向達(dá)到1m0.3m的面積，結(jié)合上下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重疊的方式作如下分析：1）上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)x軸方向?yàn)槠鲃?dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)x方向電機(jī)走動(dòng)的步數(shù)明顯要比y方向的多（上30100=3000步，下100步），但距離又不遠(yuǎn)30cm，所以要求盡量減少上層質(zhì)量，一是減少能量損失，二是避免電機(jī)因過(guò)度疲勞而壽命縮短，減少可以避免的磨損；減少上層的重量可減輕工作臺(tái)y軸方向傳動(dòng)（下層傳動(dòng)）機(jī)構(gòu)的負(fù)載，從而減少負(fù)載慣性慣量，對(duì)工作臺(tái)y 軸方向的導(dǎo)軌與電機(jī)選擇帶來(lái)方便；選擇皮帶傳動(dòng)也是

31、因?yàn)槠鸬木彌_作用避免了由于導(dǎo)軌在急停急走時(shí)帶來(lái)的工作臺(tái)震動(dòng)，選擇小型導(dǎo)軌由于其剛性大而強(qiáng)度小將不能承受高速急停工作臺(tái)物（滑架與傳感器）所帶來(lái)的慣性沖擊，也可使下導(dǎo)軌傳動(dòng)時(shí)帶動(dòng)上導(dǎo)軌時(shí)穩(wěn)定性好，減少抖動(dòng)，采樣點(diǎn)時(shí)間減少，同時(shí)也并且使采樣位置精度提高，提高采樣的質(zhì)量。為了減少位移誤差選用了齒帶傳動(dòng)，提高傳動(dòng)精度。另外也降低使用導(dǎo)軌而增加的成本。2）下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)y軸方向?yàn)闈L珠螺桿傳動(dòng)下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)y軸方向選用螺桿傳動(dòng)，因?yàn)槁輻U輸出扭矩大，主要是滿(mǎn)足帶動(dòng)上面重量的要求；螺桿傳動(dòng)停走穩(wěn)定，可減少上工作臺(tái)（x方向）的震動(dòng)，并且急停急走定位精度比其他傳動(dòng)方式高，下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一步精度高低將影響到上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)走

32、30步的傳動(dòng)精度，且在帶動(dòng)質(zhì)量大（慣性大）的工作物時(shí)減少位移誤差，這樣才能滿(mǎn)足整體的停走定位精度高。另外，滾珠螺桿的定位精度由螺距和配套的電機(jī)分辨率決定，所以要相應(yīng)的選擇高精度分辨率的電機(jī)。3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖把電磁感應(yīng)能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采集點(diǎn)定位，因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為傳動(dòng)裝置。下面簡(jiǎn)單介紹步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造與工作原理：1）步進(jìn)電動(dòng)

33、機(jī)的構(gòu)造步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子朝軸方向已經(jīng)磁化。定子擁有小齒狀的磁極，共有10個(gè)，皆繞有線圈。其線圈的對(duì)角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會(huì)被磁化成同一極性。對(duì)角線的2個(gè)磁極形成1個(gè)相，而由于有a相至e相等5個(gè)相位，因此稱(chēng)為5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作原理(1)a相勵(lì)磁圖9 b相勵(lì)磁圖8 a相勵(lì)磁將a相勵(lì)磁，會(huì)使得磁極磁化成s極，而其將與帶有n極磁性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有s極磁性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥平衡后停止。此時(shí)，沒(méi)有勵(lì)磁的b相磁極的小齒和帶有s極磁性的轉(zhuǎn)子2的小齒互相偏離0.72。（圖8）(2)b相勵(lì)磁正轉(zhuǎn)勵(lì)磁相位隨a相b相c相d相e相a相依

34、次轉(zhuǎn)換，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以每次0.72做正確的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，希望作反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)，依照a相e相d相c相b相a相勵(lì)磁即可。（圖9）3）選擇步進(jìn)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，一般來(lái)說(shuō)多根據(jù)對(duì)裝置要求的性能來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)，除了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能以外，對(duì)裝置的轉(zhuǎn)速、運(yùn)行周期、停止位置精度的要求，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性、速度控制等特性皆為選用上的重點(diǎn)。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩-頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，還應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為

35、了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定，在此選擇高精度高分辨率電機(jī)同時(shí)，也要選擇高精度與高分辨率的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌與皮帶。根據(jù)上述可知，選擇符合設(shè)備要求規(guī)格、功能完備的電動(dòng)機(jī)是提高設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。對(duì)在不同工作環(huán)境下工作的電機(jī)有不同要求，選擇電機(jī)也必須符合強(qiáng)度，剛度，配合精確度，壽命等方面技術(shù)的要求，一般情況是按下面的選用步驟：(1)決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)代表性的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)體，以及滾珠螺桿、皮帶輪、齒條齒輪等，預(yù)先決定搬運(yùn)物的質(zhì)量、各部位的尺寸、滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)等再?zèng)Q定

36、電機(jī)的種類(lèi)型號(hào)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求與條件初次選定實(shí)驗(yàn)采樣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為皮帶皮帶輪驅(qū)動(dòng)，下傳動(dòng)為滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)。(2)確認(rèn)所要求的規(guī)格(設(shè)備的規(guī)格)若為移動(dòng)速度及驅(qū)動(dòng)時(shí)間、定位運(yùn)行時(shí)，則必須確認(rèn)定位距離與定位時(shí)間等的驅(qū)動(dòng)條件，并且要確認(rèn)停止精度、分辨率、位置保持、使用電壓、使用環(huán)境等。所選的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還要作進(jìn)一步的驗(yàn)算與校合。(3)計(jì)算負(fù)載計(jì)算電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣性慣量，不同物體形狀的慣性慣量有不同的計(jì)算公式與方法，這與所選的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān)。還要計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)矩，目的是最終計(jì)算出機(jī)構(gòu)的必要轉(zhuǎn)矩進(jìn)而依據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的特性來(lái)決定電機(jī)的選擇與校合。(4)選擇電動(dòng)機(jī)機(jī)種依據(jù)采集的要求

37、已選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)估算選擇好后進(jìn)行選用計(jì)算再?zèng)Q定。(5)選用計(jì)算從機(jī)械強(qiáng)度、加速時(shí)間、加速轉(zhuǎn)矩等各方面確認(rèn)所選電動(dòng)機(jī)的規(guī)格是否符合所有要求規(guī)格，然后決定所選電動(dòng)機(jī)是否被用。每一個(gè)電動(dòng)機(jī)機(jī)種要確認(rèn)的項(xiàng)目都不一樣，必須確認(rèn)選用的計(jì)算公式與選用重點(diǎn)。一般需要計(jì)算如下參量，進(jìn)行以下計(jì)算： 計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比計(jì)算如下: (1-1) 式中 步進(jìn)電機(jī)的基本步距角（必要分辨率）絲桿螺距 /脈沖 計(jì)算工作臺(tái)、絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 （1-2） 式中 折算至電機(jī)軸上的慣量 齒輪慣量（有減速機(jī)時(shí)才需要計(jì)算） 滾珠螺紋螺桿慣量 工作臺(tái)重量 滾珠螺紋螺桿螺距計(jì)算電機(jī)輸出的總

38、力矩 （1-3）式中 電機(jī)啟動(dòng)加速力矩 導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 切削力折算至電機(jī)力矩 （車(chē)床類(lèi)計(jì)算）負(fù)載起動(dòng)頻率估算數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 （1-4） 式中 帶載起動(dòng)頻率空載起動(dòng)頻率 起動(dòng)頻率，由力矩-頻率特性決定的電機(jī)輸出力矩若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定,則可按進(jìn)行估算。運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時(shí)，由力矩-頻率特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 負(fù)載力矩和最大靜力矩 電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由力矩-頻率決定的電機(jī)輸出力矩要大于與之和，并留有余量。一般來(lái)說(shuō)，與之和應(yīng)小于（0.2 0.4

39、) .同時(shí)對(duì)于電機(jī)的連軸器，選用不同的傳動(dòng)方式也有不同的要求，下面分別對(duì)機(jī)構(gòu)x方向行走與y方向行走（上傳動(dòng)與下傳動(dòng)）的電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇作詳盡的分析與校對(duì)。3.3 y方向?qū)к壟c步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算首先要對(duì)所選的導(dǎo)軌的相關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)算與查詢(xún)，然后與所選的電機(jī)所能達(dá)到的技術(shù)要求校合，必須分別對(duì)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)具體的運(yùn)算，然后再進(jìn)行耦合，其中最主要是要根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性來(lái)決定電機(jī)與導(dǎo)軌是否相配，工作單元示意圖:圖10導(dǎo)軌工作單元示意圖具體計(jì)算與分析如下：3.3.1 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 已決定用步進(jìn)電機(jī)和滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)，并且采用聯(lián)軸器直接耦合方式，如圖所示：圖11 滾珠螺桿驅(qū)

40、動(dòng)聯(lián)軸器直接耦合方式查資料得出滾珠螺桿的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：軸方向負(fù)載預(yù)負(fù)載預(yù)壓螺帽的內(nèi)部摩擦系數(shù)（0.10.3）效率（0.850.95）減速比（機(jī)構(gòu)的減速比）滾珠螺桿螺距/rev外力主軸開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力量（ 彈簧秤值（）g/）工作物與工作臺(tái)的總質(zhì)量kg滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)（0.05）（測(cè)量）傾斜角度重力加速度/(9.807)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選用的滾珠螺桿導(dǎo)軌所有的參數(shù)，并把實(shí)際所得數(shù)據(jù)代入公式得：軸方向負(fù)載 （質(zhì)量m為上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量）預(yù)負(fù)載 （給估算和保守值）負(fù)載轉(zhuǎn)矩所選的東方電機(jī)型號(hào)為pk596h-b，查它的參數(shù)允許的最大轉(zhuǎn)矩為，導(dǎo)軌計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)所能承受的負(fù)載。2）加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算（1）

41、計(jì)算導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的全慣性慣量工作臺(tái)與工作物（皮帶輪傳動(dòng)架與小電機(jī)與傳感器）的慣性慣量屬于直線運(yùn)動(dòng)物體，利用如下公式計(jì)算： m=3.5kg 工作臺(tái)與工作物質(zhì)量 =0.02m/rev單位移動(dòng)量（螺距）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到滾珠螺桿的慣性慣量可以看作是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓柱體，計(jì)算公式為： 滾珠螺桿全長(zhǎng)滾珠螺桿軸直徑滾珠螺桿材質(zhì)密度（鐵）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到全慣性慣量（2）計(jì)算導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)矩用公式 計(jì)算?？刹轭A(yù)選東方電機(jī)pk596型號(hào)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，電機(jī)基本步距角（必要分辨率）為 。起動(dòng)脈沖速度，運(yùn)行脈沖速度，加減速時(shí)間，三個(gè)參量的確定必須參照預(yù)選電機(jī)和以下方法計(jì)算，最后才能確定其加速轉(zhuǎn)矩。3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的

42、相關(guān)計(jì)算1） 要求分辨率 螺距 基本步距角（必要分辨率）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到本實(shí)驗(yàn)要求取樣為10030=3000個(gè)點(diǎn)，傳動(dòng)導(dǎo)軌的要求分辨率為，電機(jī)的分辨率精度達(dá)到工作要求分辨率精度。2）工作脈沖數(shù) 1次移動(dòng)量(實(shí)驗(yàn)要求的一次移動(dòng)量為) 螺距(查導(dǎo)軌的技術(shù)參數(shù)) 基本步距角(5相pk系列為1轉(zhuǎn)500割) 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到3）加減速時(shí)間進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行模式有下圖二種：圖12 兩種運(yùn)行模式加速時(shí)間的計(jì)算通常是以方式a的加減速運(yùn)行模式為一般的情形，轉(zhuǎn)速低速、負(fù)載慣性慣量小時(shí)，可以采取方式b的自起動(dòng)運(yùn)行，本實(shí)驗(yàn)速度與負(fù)載均比較小，以自啟動(dòng)方式運(yùn)行即可。4）運(yùn)行脈沖速度 工作脈沖數(shù)（根據(jù)一次移動(dòng)量要求計(jì)算的結(jié)

43、果） 運(yùn)行時(shí)間（與停止采集數(shù)據(jù)時(shí)間相同）計(jì)算運(yùn)行脈沖速度5）運(yùn)行轉(zhuǎn)速6）根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算導(dǎo)軌加速轉(zhuǎn)矩由于采用自啟動(dòng)方式，未計(jì)算出加減速時(shí)間，但為了估算出加速轉(zhuǎn)矩，假設(shè)加減速時(shí)間，取保守值為運(yùn)行時(shí)間的，即，計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩： 7）計(jì)算導(dǎo)軌必要轉(zhuǎn)矩知道負(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩后即可計(jì)算出必要轉(zhuǎn)矩:查表選擇安全系數(shù)為2，計(jì)算可得3.3.3 驗(yàn)證電機(jī)選擇是否合理1)工作狀態(tài)的確認(rèn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不宜連續(xù)運(yùn)行，適用于以運(yùn)行時(shí)間與停止時(shí)間的關(guān)系所表示的工作狀態(tài)的 50%以下為標(biāo)準(zhǔn)，工作狀態(tài) 運(yùn)行時(shí)間/（運(yùn)行時(shí)間停止時(shí)間）100%，在使用時(shí)必須注意這點(diǎn)，通過(guò)電機(jī)控制程序延時(shí)部分可以設(shè)定（程序部分已論述）。2)慣性比若慣性比

44、大，則起動(dòng)、停止時(shí)的過(guò)沖與回沖亦變大，因而會(huì)影響起動(dòng)、穩(wěn)定時(shí)間。此外，因使用條件不同亦有無(wú)法驅(qū)動(dòng)的情形。按以下公式計(jì)算慣性比并確認(rèn)計(jì)算結(jié)果是否在表中規(guī)定的范圍以?xún)?nèi)。 慣性比機(jī)器全慣性慣量 /電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 /。表2 電機(jī)慣性比查詢(xún)參考值名 稱(chēng)安裝尺寸慣性比ac小型標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)28,42,60,8530以下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)20,285以下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)42,60,8510以下根據(jù)上面所得數(shù)據(jù)得出慣性比為30查上表符合要求。4)求出電機(jī)的運(yùn)行速度與必要的轉(zhuǎn)矩，查找電機(jī)pk-596-a型號(hào)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性如圖13。轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 符合要求。3.4 電機(jī)與導(dǎo)軌裝備方式設(shè)計(jì)3.4.1 聯(lián)軸器選擇選好電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)或用途

45、后，即要選擇聯(lián)軸器，目的是通過(guò)彈性連接減少傳動(dòng)的震動(dòng)性，提高傳遞穩(wěn)定性與傳遞精度，減少傳遞誤差等等。對(duì)包含減速機(jī)型電動(dòng)機(jī)等所有電動(dòng)機(jī)軸徑均能對(duì)應(yīng)。市面上有主要有兩大類(lèi)可供選擇，下面是兩種聯(lián)軸器的對(duì)比：表4 mcs聯(lián)軸器與mc聯(lián)軸器對(duì)比名 稱(chēng)安裝尺寸材 料特 征mcs聯(lián)軸器安裝尺寸425（mm）螺釘押入軸，螺釘前端直接碰觸軸面，可能引起軸受損、不易裝卸。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上已實(shí)施銑面處理，將螺釘前端垂直接觸銑面進(jìn)行安裝利用鋁合金制輪轂與樹(shù)脂制星形輪構(gòu)成3片結(jié)構(gòu)（coupling）。構(gòu)造簡(jiǎn)單而能確實(shí)傳送減速機(jī)型機(jī)種的高轉(zhuǎn)矩。以星形輪的適度彈性抑制電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。聯(lián)軸器的剛性對(duì)設(shè)備整體的影響極為稀少。能對(duì)應(yīng)減速

46、機(jī)型電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度。利用聚氨酯制星形輪來(lái)抑制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)。齒隙0。因?qū)? 片結(jié)構(gòu)，而可提高組裝時(shí)的自由度mc聯(lián)軸器安裝尺寸416（mm）利用螺絲的鎖緊力量，收縮孔徑，鎖住軸部的連結(jié)方式聯(lián)軸器。能在不損壞軸情況下，進(jìn)行輕松安裝與拆卸工作。為切口結(jié)構(gòu)的1片聯(lián)軸器。由于扭轉(zhuǎn)剛性高、低慣性，因而適用于高速定位、高響應(yīng)控制。齒隙0。扭轉(zhuǎn)剛性高、具卓越的響應(yīng)性。低慣性。備有固定螺釘型、夾鉗型2種。圖14 螺釘固定聯(lián)軸器聯(lián)軸器剛性對(duì)裝置有重要影響，在聯(lián)軸器性能的規(guī)格有容許負(fù)載、容許轉(zhuǎn)速、扭轉(zhuǎn)彈簧定數(shù)、聯(lián)軸器本身的齒隙的有無(wú)、容（misalignment）等。想要改善定位特性時(shí)，或是想要使用于能夠降低

47、振動(dòng)發(fā)生的裝置上時(shí)，一般都以“剛性高、無(wú)齒隙”為首要條件選擇聯(lián)軸器。但是，聯(lián)軸器的剛性從裝置整體的剛性來(lái)看，有時(shí)影響并不大。比較滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)時(shí)的裝置整體硬度與采用mcs類(lèi)的鉗口聯(lián)軸器（一般型聯(lián)軸器）與剛性較高的波紋型聯(lián)軸器的不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用的螺桿尺寸，與螺桿的固定方式，選擇了mc250808型號(hào)聯(lián)軸器，外徑25，內(nèi)徑8，固定方式為螺釘固定。（圖14）查mc250808型號(hào)聯(lián)軸器的固定轉(zhuǎn)矩=1.5,螺桿傳動(dòng)所需要的必要轉(zhuǎn)矩為0.04781.5，選擇合理。3.4.2 法蘭盤(pán)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)與導(dǎo)軌機(jī)座的連接，通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌機(jī)座的尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)與導(dǎo)軌裝備，為了保證下導(dǎo)軌螺紋滾珠導(dǎo)柱與電機(jī)連接的同軸

48、度，需要使用法蘭盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的連接，示意圖如圖15，具體法蘭盤(pán)尺寸要求圖,電機(jī)與導(dǎo)軌裝備圖參照附圖。圖15 電機(jī)與導(dǎo)軌裝備關(guān)系圖3.5 x方向傳動(dòng)皮帶與電機(jī)的選擇計(jì)算3.5.1 決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖16 皮帶皮帶輪傳動(dòng)在傳動(dòng)方案擬定后已決定皮帶皮帶輪傳動(dòng)方式，如圖16所示,具體用的齒輪帶動(dòng)齒帶方式，因?yàn)樗鶐?dòng)的負(fù)載（傳感器與固定架）不大，要求定位準(zhǔn)確，所以用齒帶傳動(dòng)可以增加摩擦防止皮帶與皮帶輪打滑，減少虛位產(chǎn)生，為了提高定位精度也可以采用張緊輪。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)如下：傳動(dòng)皮帶與工作臺(tái)的總質(zhì)量皮帶輪的直徑傳送帶滾筒的傳動(dòng)效率傳動(dòng)皮帶與皮帶輪之間的摩擦系數(shù)傳動(dòng)皮帶的速度通過(guò)計(jì)算得出3.5.2 確認(rèn)

49、電機(jī)所要求的規(guī)格根據(jù)移動(dòng)速度及驅(qū)動(dòng)時(shí)間、定位運(yùn)行確認(rèn)定位距離與定位時(shí)間等的驅(qū)動(dòng)條件，選用東方電機(jī)pk-566-a型號(hào)，其停止精度、分辨率、位置保持、使用電壓、使用環(huán)境等已經(jīng)符合工作要求，其他一些基本技術(shù)參數(shù)計(jì)算如下： 1） 要求分辨率式中， 基本步距角 齒帶輪直徑即 要求分辨率為1m/100=0.01m，電機(jī)分辨率已達(dá)到工作要求分辨率。2）工作脈沖數(shù)脈沖為兩點(diǎn)之間的移動(dòng)量，取最小量0.01m。3）運(yùn)行脈沖速度如前例采用自啟動(dòng)方式運(yùn)行，即 定位時(shí)間 起動(dòng)脈沖速度 工作脈沖數(shù)計(jì)算運(yùn)行脈沖速度為4）運(yùn)行轉(zhuǎn)速3.5.3 必要轉(zhuǎn)矩計(jì)算皮帶啟動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為最大，啟動(dòng)時(shí)的必要轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：1）工作臺(tái)與工作

50、物（傳感器與保持架）負(fù)載轉(zhuǎn)矩傳感器與保持架工作臺(tái)所需負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為2）工作臺(tái)與工作物慣性慣量屬于直線運(yùn)動(dòng)物體，利用如下公式計(jì)算： 單位移動(dòng)量 傳感器與保持架質(zhì)量即3)計(jì)算工作臺(tái)與工作物加速轉(zhuǎn)矩查表東方電機(jī)pk566型號(hào)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量假設(shè)加減速時(shí)間，取保守值為運(yùn)行時(shí)間的，即，計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩： 4）電機(jī)必要轉(zhuǎn)矩為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有用任何減速機(jī)構(gòu)，所以此負(fù)載轉(zhuǎn)矩與工作臺(tái)加速轉(zhuǎn)矩為電機(jī)輸出的必要轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩即可計(jì)算出必要轉(zhuǎn)矩:從商業(yè)電源的電壓變動(dòng)（）等角度考慮，設(shè)定安全系數(shù)為2，則圖17 pk566步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性256023查找所選東方電機(jī)pk566的技術(shù)資料，保持轉(zhuǎn)矩為所以所選電

51、機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩符合要求。再查找電機(jī)pk566型號(hào)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性如圖17，可知所選的電機(jī)符合要求。4 系統(tǒng)軟件部分4.1 系統(tǒng)線路總體布局本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)控制部分是關(guān)鍵，要在特定范圍內(nèi)（1m0.3m的面積）采集特定數(shù)量的點(diǎn)（10030=3000個(gè)），并且采集間隔時(shí)間有具體要求，即1秒內(nèi)完成1厘米路程的行走和數(shù)據(jù)采集，具體將在后面分析，原理框圖如圖18，具體工作線路圖參照附錄。 圖18 電機(jī)控制原理簡(jiǎn)圖關(guān)于6024e各引腳及功能說(shuō)明如下：1繼電器a與b工作電壓：直流vcc+5v，因?yàn)橐x擇大小電機(jī)，且用的是五相步進(jìn)電機(jī)，所以b必須用五個(gè)雙聯(lián)繼電器組并聯(lián)，所選的所有繼電器工作電壓均為直流vcc+

52、5v，所以由6024e第8個(gè)引腳（+5v）引出vcc+5v電壓來(lái)提供工作電壓。2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作脈沖：由6024e第2個(gè)引腳（ctr0 out）引出脈沖信號(hào)來(lái)維持電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)，脈沖性質(zhì)由軟件編程控制。3繼電器a控制信號(hào)選擇：通過(guò)6024e第52個(gè)引腳（p0.0）0通道引出的信號(hào)來(lái)控制繼電器a開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)（選擇驅(qū)動(dòng)器電機(jī)正反轉(zhuǎn)）。4繼電器a與繼電器組b控制信號(hào)地線接口，由6024e第4個(gè)引腳（d gnd）引出。5繼電器組b控制信號(hào)選擇：通過(guò)6024e第17個(gè)引腳（p0.1）1通道引出的信號(hào)來(lái)控制繼電器組開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)（選擇大小電機(jī)）。4.2 軟件編程4.2.1 編程思路數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)行走路線已說(shuō)明，路線是一個(gè)循環(huán)，如圖19：行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由100個(gè)小循環(huán)組成，一個(gè)小循環(huán)有四個(gè)步驟，分析如下：第一，小電機(jī)正轉(zhuǎn)，走一步，停0.5秒，在停的階段采集數(shù)據(jù)一次，然后又走又停采集數(shù)據(jù)這樣小循環(huán)30次，完成第一個(gè)步驟，正方向掃描完x軸一行，切換大圖19 循環(huán)順序示意圖大電機(jī)走掃描y方向點(diǎn)；第二，大電機(jī)正轉(zhuǎn)，走一步,停0.5秒，在停的階段采集數(shù)據(jù)一次，完成第二個(gè)步驟，正方向掃描完y軸一列，切換小電機(jī)走掃描x方向點(diǎn)；第三，小電機(jī)反轉(zhuǎn)，走一步，停0.5秒，在停的階段采集數(shù)據(jù)一次，然后又走又停采集數(shù)據(jù)這樣小循環(huán)30次，完成第三個(gè)步驟，反方向掃描掃描完x軸一行，切換大電機(jī)走掃描y方向點(diǎn)