摘 要
木材加工时手动定位误差较大，本文设计开发一种新型的简易式手持单轴定位仪，采用STC 89c51单片机，便捷的设置搜寻目标，通过光电传感器反馈实时位置，使用迭代控制算法自动补偿误差，同时具有参数调整，断电记忆，实时数显等多种功能。经实践验证，可快捷高效的实现精度较高的定位。
【关键词】定位 单片机 迭代控制 自动补偿
1 引言
木材加工锯切过程中需要大量的定位工作，传统的人工测量方法效率低下，而且精度较低。市面上目前存在的自动测距仪器较多，定位仪器偏少，且功能较单一，难以实现自动定位，使用之前需要手动校准，难以满足生产要求。
木材加工由于场地限制，工艺条件往往较差，难以采用精密的测量装置实现实时定位。由于周边环境状况较为负载，采用传统的PID误差补偿算法，PID参数需要经常调整，难以快捷的加工定位过程中
针对木材加工的工艺要求，本文设计开发一种新型的单轴自动定位仪，具有参数设置、位置实时显示、断电记忆、误差自动补偿、步进等功能，其中误差补偿采用迭代控制算法，经实际验证，精度可以达到0.1mm。
2 硬件设计
2.1 硬件原理框图
采用STC89c51单片机，根据产品所需实现的功能，硬件原理框图如图1所示。
输入主要有光电信号A/B相反馈、4*4矩阵按键，输出主要有6位共阴极LED数码管、正转继电器驱动、反转继电器驱动等组成。I2C芯片用于断电记忆保存当前设置的参数。其中光电信号反馈采用差分计数，进一步提高定位时的分辨率。正转继电器和反转继电器采用24V驱动，需要使用光耦芯片隔离。
2.2 I2C芯片
I2C芯片采用24C02。24系列EEPROM可重复擦写100万次，遵循双向二线制总线协议，数据可以掉电不丢失，有1K位、2K位、4K位、8K位等存储容量的系列产品，24C02就是其中的2K位容量的产品。
2.3 4*4矩阵按键输入
为了减少I/O口的占用，将按键排列成4*4矩阵。每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键。通过这种方式，只采用一个8位端口即可以构成4*4=16个按键，高效的利用了硬件资源。
2.4 6位LED数码管显示
由于显示精度要求，需要6位LED数码管显示，为了节约硬件端口资源，采用循环刷新的方式，循环点亮6位LED数码管，由于人眼的视觉停留效果，6位数码管可同时显示。软件中程序的循环周期必须尽量短，否则数码管显示会偏暗，甚至无法识别。
3 迭代补偿算法设计
单轴定位仪软件的核心在于误差补偿算法的实现，产品采用的迭代控制补偿算法原理图如图2所示。
设第一次输入的定位值为yk（t），由于执行量正转/反转继电器的通电时间Uk（t）无法直接计算，此时为预估初始值U+/U-。由于继电器吸合/释放的过程本身就需要时间，随着时间的老化，吸合/释放的时间也将产生变化。同时外界环境等各种原因也会造成干扰。本次实际定位值Sk（t）与输入值yk（t）之间的差值为误差ek，通常迭代系数q取0.5。误差ek有正误差及负误差两种情况，如为正误差，说明搜寻目标未达到，反之负误差则说明搜寻目标超过。
在下一次执行目标值yk+1（t）时，相应的继电器通电时间Uk+1（t）应进行迭代补偿，当为正误差时，执行量为单方向，执行量Uk+1（t）=U++q*U+（ek）；当为负误差，此时搜寻目标超过，执行量为双向，Uk+1（t）= U++ q*U-（ek）。将本次的实际值Sk+1（t）与yk+1（t）比较，差值为误差ek+1，本次的误差用来进行下一次迭代运算。依次类推，目标值与实际值将逐步接近，经过数次迭代后，精度将满足要求。
初始位置位0，连续进行5次搜寻测试，加入迭代补偿及不加迭代补偿算法的测试结果如表1所示。
4 结论
（1）合理的设计最大化的利用了硬件资源，降低了产品成本。
（2）采用迭代控制算法，单轴定位仪可以快速准确的实现定位功能，即使由于环境因素等发生改变，误差也能快速得到自动补偿。
参考文献
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