《基于计算机控制的光碟智能存取装置研制论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于计算机控制的光碟智能存取装置研制论文（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录一、项目简介1二、主要创新点1三、研究背景、目的和意义2四、探究过程21.研究方案探究22.技术路线图43.结构设计54.计算机管理功能的实现85.精确定位的实现176.路径算法的优化与创新应用257.设备连接与调试338.智能应用379.改进37五、展望和应用41六、感谢43七、附件4347全国青少年科技创新大赛基于计算机控制的光碟智能存取装置-随机存储、自动搜索与控制、路径优化算法的创新与应用一、项目简介本项目的最终目标是实现一种基于计算机控制的光碟智能存取装置，是一个集计算机管理及软件开发、算法设计与控制为一体的计算机应用系统。完善后可以广泛应用于图书馆、档案馆、电视台、广播电台、
2、博物馆、资料室等需要管理大宗信息和资料的单位。主要研究内容包括：取多盘执行机构路径优化算法的研究与探讨；执行机构精度控制算法的研究与软件设计；光盘管理信息系统设计与程序开发；单片机控制及驱动系统设计；光盘位置检测的实现；存储机构设计与加工；整机系统的试验研究与改进等。系统装置实现如下功能：光碟随机存储功能，光碟存放时不需要按分类和编号进行对号入座和固定存放，即：哪里有空位就哪里存放；光碟自动搜索与控制功能：按存放位置自动更新、分层分类，并按照关键字进行自动搜索的数据库设计，实现对光碟基本信息的浏览、自动搜索和查找功能。同时，光碟取出执行机构会按照搜索到的光碟位置信息，自动弹出要查找的光碟；取多
3、盘路径优化功能，执行取多盘功能时，应用与计算机进行通信的单片机控制电路、驱动电路和执行结构，以路径最短方式进行路径优化设计，实现多盘自动弹出功能。稍做简化可直接进入家庭。系统装置具有广泛的应用前景和市场推广价值。 二、主要创新点1) 取多盘路径寻优算法及创新应用。本系统具有一次取多盘路径优化功能，采用了改进的回溯寻优法寻找最佳路径，利用截枝分界法来提高搜索效率，并对分界比较值进一步优化，使系统的取盘效率大大提高。2) 在取盘机构位置控制精度方面，本系统在普通分段线性化的基础上进行了改进，对取盘机构上的控制上采用了斜率分段线性化优化算法，使取盘的位置精度得到保证。3）本系统装置功能人性化，充分考
4、虑实用性与应用型，是集光、机、电、控制与信息为一体的综合智能化计算机实际应用系统。三、研究背景、目的和意义随着科学技术和文化事业的发展，光碟的数量是越来越多，而从林林总总的光碟中找到自己需要的光盘是一件费时费力的事情。有一天，我为了找老鹰乐队的珍藏碟，我花了一个上午的时间，将所有的碟翻了出来才找到。这不仅浪费了我的时间，也破坏了我那天的好心情。当时我就在想，是否可以有那么一个装置，存储物品的时候可以随意放置，取出的时候装置可以自动找到物品并把物品自动取出来。这样一个想法激发了我对这方面的探究兴趣。这样的装置研究出来，将对许多需要物品存储管理的场合和单位非常有用。光碟是目前用途最广、也是最可靠的
5、信息载体，经过调研，我发现图书馆，档案馆，电视台，广播电台，博物馆，资料室等这样的一些单位，保存、管理和使用数量巨大的光碟，以此作为切入口，我选择了以光碟自动存取作为研究对象开始我的探究之路。四、探究过程1.研究方案探究首先，这是一个自动装置，结构方面应该紧凑，要争取在有限的空间内存放尽可能多的光盘。根据观察，发现档案馆里存放档案的档案柜的设计和放置十分合理，一排排紧凑放置，每排仅留一个机动的操作位，由于每个柜底下有导轨和滑轮，柜子可以依次移动，当取档案时，把操作位调整到合适位置就可以进行操作。同时，市面上有一种栅格一样的结构，可以装几十张去掉封套、仅保存光碟本身的光碟盒也是一种好的结构。将这
6、两种结构结合在一起，就是我设想中的智能光碟存取装置结构（如图1.1）。其中，栅格为多层层叠式，每层两组，自动取盘机构设在中间，可以把选择的光碟从两边弹出。图1.1 初步设想中的智能光碟存取装置结构其次，既然要实现智能功能，每个柜子应设计计算机控制系统，本系统考虑用设有触摸屏的计算机控制系统实现其智能功能。光碟随机存储功能-光碟存放时不需按分类和编号进行对号入座和固定存放，哪里有空位就哪里存放。光碟自动搜索与控制功能方便光碟基本信息方便的浏览、搜索和查找。光碟自动弹出功能-应用控制电路驱动执行结构，将选择的光碟自动弹出。考虑到每个柜中可以储存的光碟容量很大（估计5000-8000个），单个光碟设
7、计一个弹出机构是不现实的，可以考虑用计算机控制的X-Y滑块方式来实现，我想这种方式用计算机来控制是应该可以做到的。目前市面上那些光碟管理柜（装置）多半是先人工分类编号，存放的时候一一对号入座，而且也少有自动弹出机构。我设计的这个智能光碟存取装置不仅设有自动弹出机构，而且光碟实现可以随意存放在任意的空闲位置上，装置自动识别出位置，并记录起来以便以后自动寻找，这一点，对图书馆，档案馆，电视台，广播电台，博物馆，资料室等这样需要保存、管理和使用数量巨大的光碟的一些单位相当有用。图书馆一天从借阅者还书时回收上百张书带光碟（现在好多书都配光碟，它们与书分开存放），管理员每天要将它们一一对号入座，将是多大
8、的工作量啊！2.技术路线图带着这个问题，我征询了老师和爸爸的意见，他们全力支持和鼓励我对这个问题进行探讨，并联系了华南理工大学自动化学院老师对我进一步的指导。经过沟通，老师对我的研究方案提出了两点意见和建议：一是方案提出“不需按分类和固定位置存放”解决光碟存放问题符合当前仓库管理理念，是一种新趋势，方案可行，具有广阔的应用前景。支持我以此为目标，为最后形成实际应用产品而努力。但就目前而言，建议分段实施。二是项目涉及计算机、单片机、自动化、机械设计与加工，电路设计、数学、物理等多个学科门类的知识，有些已经大大超出高中学生的要求，提出只要有兴趣和毅力，边学边实现，可以完成预定的目标。老师的意见给予
9、我信心。在老师们的帮助下，我重新调整了方案。简要讲就是设计用一组栅格，先做一个可以存放200个左右光碟的单元柜，实现主要功能进行可行性试验和测试，发现问题，弥补不足并积累经验，待成功后才向前推进。控制系统和计算机数据库系统先采用单片机+普通计算机来实现，待成功后用一体机（老师说是工业计算机，可配触摸屏）转变（图2.1）。图2.1 经咨询讨论后确定的试验样机装置图所拟的技术路线图如下：3.结构设计光电管位置检测方案的选定在整个设计过程中，首先应解决的问题是如何实现随意存储功能。整个方案反反复复修改了几次，是本探究学习的主要难点和重点之一。探究过程如下：首先，我想到了普通的滑动变阻器。根据电阻长度
10、位置的不同而阻值不同的特性，可以通过测量电路中电阻的阻值，就可以将阻值与光碟位置一一对应起来。但是，经过我的实验，我发现每次测量同一位置的电阻值并不是一个定值，而且不同位置的电阻值相差的又不是很大，很难与光碟位置一一对应，数据处理起来非常的困难，所以我选择放弃。图3.1 滑动变阻器的原理图接着，我又想到了触动开关，就是在每个光碟的存放位置安放一个触动弹片来感知光碟的位置。对此，我还去专门的电子市场去寻找相应的材料。回到家中后，我将它们焊接到一块电路板上做可行性实验。虽然电路很简单，元器件比较少，但是线路却非常繁杂，检查电路也成为了一件异常费力的事情。所以为了接通这十六个触动开关组成的电路，整整
11、花了我一天的时间。正当我正高兴于实验的成功时，我发现，仅仅十六个触动开关就占用了很大的面积。因为这是我在市面上找到的最小型号触动开关,而将来要设计出可以存储1000张光碟的装置时，装置的占地面积将会异常巨大，这违背了我结构设计方面的宗旨，况且触动开关的反应并不像想象中的灵敏，所以我决定找寻更佳的方案。图3.2 触动开关示意图再者，通过以前对数字电路学习的基础，我想到了一种可以有效减少数据线数量的方案薄膜开关。也就是说，连接八条数据线，那么就有28256种状态。每个光碟槽放置一个薄膜开关，每个开关对应一种状态，这样就可以识别出光碟的位置，从而实现随意存储的功能。我的这个想法得到了指导老师的高度赞
12、扬，说这是一个很好的想法。但是由于电子市场根本没有这样的开关卖，订做会导致成本很高，而且可靠性不高。无奈之下，只能放弃了这个很好的方案。图3.3薄膜开关示意图最后，通过在网上论坛的讨论，我终于发现了一个目前来说的最佳选择-光电检测管。它有着体积小、反应灵敏和可靠性高优点。我的设想是在每个光碟存放位置的前端安放一对光电检测管，当有光碟存放时，它可以触发信号，送给上层管理系统，使其识别并记忆光碟所处的位置。通过实验发现，开关反应灵敏，工作可靠，而且在市面上可以买到尺寸非常小的此类开关（大约3毫米左右）。因此，最后确定选用光电检测管来实现自动检测光碟位置的功能。光电检测管的排布设计我对于结构方面设计
13、的初衷是：在有限的空间里可以存放尽可能多的光盘。所以，我决定采用栅格结构，因为它的空间利用率是最高的。依照原来的设想，光电检测管是按“一”字型排列的。但是通过观察发现，以这种排列方式的话，光电检测管的两壁会占用较多的空间，我当时就在想能不能把这部分的空间也充分利用起来。通过多种摆放方案的尝试，终于发现通过“品”字型的排布是空间利用率最好的排布。图3.4a “一“字型排布示意图图3.4b “品”字型排布示意图取盘机构的设计根据测量，光碟的厚度是大约是1.25mm，设想中光碟之间的距离是尽可能窄的。要在这么小的距离内自动取出光碟是比较麻烦的事情。开始我想到的是利用机械手臂，但是机械手臂体积太大结构
14、太复杂，同时也涉及到了太复杂的技术，考虑用机械手臂这个方案不现实，放弃。方案的选择陷入了僵局，通过电视我发现实际工程应用中有很多精密控制的例子，我决定去工厂参观来寻找解决方案。通过与那里师傅的交流，我获益匪浅，最终采用了丝杆+螺母结构的双步进电机作为执行机构。双步进电机的一个负责轴向运动，另一个负责推出光碟。4.计算机管理功能的实现我的光盘管理软件设计主要可以分为两个阶段，分别是前期探索，实际设计。前期探索所谓万事起头难，现在想起我刚开始的时候，还真有点苦尽甘来的感觉。当决定要设计一个光盘管理系统后，通过与指导老师商讨和在网上搜索，我决定利用VB和数据库进行开发，选择VB是因为之前我对它曾经有
15、所接触，有一定的基础，而且老师说VB语言入门比较容易，对专业知识要求不高，而且控件资源比较丰富。但对于数据库我的概念就比较模糊，只感觉是一门高深的学问与内容。虽说我有一点VB的基础，可是要开发一个软件还是有所欠缺。老师说我应该循序渐进，所以我第一步是以设计一个简易计算器为目标的，作为一个前期的学习阶段。图4.1我设计的简易计算器不要以为设计计算器很简单，记得那时候我花了整整大半个月的时间，特别是某些细节的地方，例如在VB中的TEXT控件，显示的是从左到右的，但计算器是从右到左的，开始时我也没有注意，但和Windows上附件中自带的做比较后，发现这个问题，通过在网上搜索，知道是需要修改控件的属性。还有就是数据的类型也要特别注意，因为利用TEXT控件来显示数据和结果，他需要的是字符型的数据，而在运算过程中，利用的是数字型的数据，这样在不同的地方就要对数据进行恰当的转换。还有的是中间变量的设置也需要注意它的类型匹配，总之，虽然这个例子对其他人可能比较简单，但通过它我掌握了VB程序开发的过程，基本控件的使用方法还有数据利用的原则。学会使用VB仅仅是个开始，因为我设计的系统中需要用到数据库，而这方面我完全没有学习过的。开始时在网上找了些资料看，但看了很久还是没有头绪。指导老师针对我系统的设计需求，给我有针对性地进行辅导。经过他的讲解，我终
