攝像鏡頭電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

引言

導(dǎo)彈武器和航天飛行器在試驗(yàn)階段要模擬各種機(jī)械沖擊,而發(fā)射點(diǎn)火、飛行過(guò)程中預(yù)定功能部件的分離和分系統(tǒng)試驗(yàn)往往必須在幾秒鐘內(nèi)完成,因此需要高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。高速攝像機(jī)采用的是美國(guó)Phantom公司的V12型號(hào),每秒鐘拍攝速度可達(dá)6000幀。目前工作中使用的高速攝像系統(tǒng)采用的攝影鏡頭卡口為NikonF卡口,這是一種20世紀(jì)八九十年代應(yīng)用的機(jī)械攝影鏡頭,鏡頭的變焦和調(diào)焦都是手動(dòng)調(diào)節(jié),通過(guò)觀察取景器進(jìn)行構(gòu)圖和對(duì)焦。但是,在某些特定環(huán)境,例如真空環(huán)境或者惡劣環(huán)境下應(yīng)用高速攝像機(jī)時(shí),需要對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行密封防護(hù),這就造成接觸鏡頭困難。自動(dòng)鏡頭價(jià)格昂貴,為了降低成本,解決手動(dòng)鏡頭操作不便這一具體問(wèn)題,設(shè)計(jì)出了可以對(duì)老式手動(dòng)機(jī)械鏡頭進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),使之可以適應(yīng)新的特定工作環(huán)境。

由單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,目前在現(xiàn)代軍事、精密機(jī)械加工、航天航空等領(lǐng)域此類(lèi)應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越深入。用80C51單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鏡頭調(diào)焦環(huán)的扭轉(zhuǎn),可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/半自動(dòng)調(diào)焦的功能。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)中的核心裝置,其主要功能為產(chǎn)生脈沖,從而控制步進(jìn)電機(jī)工作。設(shè)計(jì)可以用軟、硬件結(jié)合的方式,傳統(tǒng)的環(huán)形分配器由軟件部分替代,可以提高效率,使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制?；趩纹瑱C(jī)的強(qiáng)大功能,可以設(shè)計(jì)出外圍電路,由外圍電路產(chǎn)生脈沖,控制步進(jìn)電機(jī),并處理電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值[1],再將檢測(cè)內(nèi)容通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。

系統(tǒng)的核心采用51系列單片機(jī),完成測(cè)距數(shù)據(jù)判讀、步進(jìn)電機(jī)控制、反饋信號(hào)比較等工作。外圍電路包括AD/DA轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)指示、手動(dòng)輸入接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。利用專(zhuān)業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1298構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)電流是通過(guò)單片機(jī)的軟件部分進(jìn)行編程輸出的,步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與脈沖的個(gè)數(shù)成正比[2]。步進(jìn)電機(jī)可以進(jìn)行正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié),其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生順序有關(guān)。

單片機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)處理安全模塊中驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊反饋的電流值[3],并利用數(shù)碼管將電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)方向顯示出來(lái)。本系統(tǒng)采用了較為常見(jiàn)的五線四相步進(jìn)電機(jī),以實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭調(diào)焦環(huán)的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)選定的步進(jìn)電機(jī)相數(shù),確定80C51單片機(jī)所需的相位信息。一般的步進(jìn)電機(jī)需要12V左右的電壓,對(duì)額定電壓的要求不高,但需要8A左右的電流,因此要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加隔離電路和放大電路,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能。

單片機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模型

系統(tǒng)組成還包括測(cè)距器、編碼盤(pán)、反饋電路、手動(dòng)調(diào)節(jié)接口和相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)等。其中測(cè)距器與鏡頭同軸安裝,采用超聲波或激光測(cè)距模塊,為鏡頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪減速和扭矩放大后,通過(guò)橡膠齒輪驅(qū)動(dòng)鏡頭的變焦環(huán)和聚焦環(huán),在步進(jìn)電機(jī)的輸出輪上加裝編碼盤(pán),輸出輪的編碼盤(pán)與鏡頭機(jī)械調(diào)焦環(huán)上的距離標(biāo)尺應(yīng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,安裝前通過(guò)確定場(chǎng)景對(duì)距離和視角進(jìn)行標(biāo)校,找出每種鏡頭存在的不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)分支程序進(jìn)行選擇,以適應(yīng)不同的鏡頭工作。測(cè)量出旋轉(zhuǎn)的角度,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后作為反饋輸入至單片機(jī),以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

1.2.1系統(tǒng)輸入/輸出單元

系統(tǒng)輸入的功能是便于設(shè)置調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù),使系統(tǒng)操作更為靈活方便,輸入設(shè)備可以使用鍵盤(pán)。顯示設(shè)備選用數(shù)碼管,用于顯示當(dāng)前的控制狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.2通信電路

通信電路是控制單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信、用來(lái)編程的電路部分,通常包括USB接口轉(zhuǎn)串行通信電路、標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路、看門(mén)狗模塊等,本設(shè)計(jì)中采用成熟的電路模塊。

1.2.3測(cè)距單元

在實(shí)際應(yīng)用中,需要測(cè)量得到試驗(yàn)件到攝像機(jī)靶面的距離。

本文選擇HC-SR04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行測(cè)量輸入,超聲波測(cè)距的優(yōu)勢(shì)在于其指向性好,可以傳輸較遠(yuǎn)距離,不容易受周?chē)h(huán)境影響,傳播時(shí)間易于計(jì)算。同時(shí),超聲波傳感器模塊還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低、易于集成的特點(diǎn)[5],因而在工程中應(yīng)用廣泛。

如圖3所示,超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射單元及超聲波接收單元等。作為核心的控制系統(tǒng),單片機(jī)在測(cè)量過(guò)程中輸出一個(gè)約40kHz的脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖,同時(shí)通過(guò)單片機(jī)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波遇到目標(biāo)后反向回傳,超聲波接收器接收到空氣中回傳的超聲波,計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。此時(shí)可知超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間參數(shù)t,進(jìn)一步可計(jì)算出傳播距離,即鏡頭靶面到目標(biāo)的距離。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊如圖4所示。

超聲波測(cè)距模塊的工作原理:通過(guò)設(shè)定好的單片機(jī)I/0口給HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的觸發(fā)口發(fā)送一個(gè)不小于10μs的高電平信號(hào),超聲波測(cè)距模塊收到觸發(fā)信號(hào)后會(huì)通過(guò)發(fā)射端口發(fā)送8個(gè)40kHz的方波信號(hào),同時(shí)檢測(cè)是否有信號(hào)返回,當(dāng)有信號(hào)返回時(shí),通過(guò)超聲波測(cè)距模塊的ECH0端口輸出一個(gè)高電平信號(hào),從ECH0端口檢測(cè)到的高電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間即超聲波信號(hào)從發(fā)射端到被測(cè)量物體由發(fā)射到返回的時(shí)間,由此可利用以下公式計(jì)算從超聲波模塊到被測(cè)量物體的距離:

超聲波在空氣中的傳播速度與當(dāng)前環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度每升高1℃,聲速約加快0.6m/s,表l給出了超聲波聲速與環(huán)境溫度的關(guān)系。由于本文只涉及常溫環(huán)境,所以只列出了-l0～40℃的數(shù)據(jù)。

超聲波測(cè)距模塊的觸發(fā)接在單片機(jī)的P2.1管腳上,ECH0接在單片機(jī)的P3.2管腳上,以下是全局變量中關(guān)于測(cè)距模塊的管腳定義:

通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度與超聲波速度的關(guān)系進(jìn)行擬合計(jì)算,可以得到以下經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:V為當(dāng)前環(huán)境溫度聲速:7為當(dāng)前環(huán)境溫度。

1.2.4步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件[7],本系統(tǒng)選擇四相八拍步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48。使用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,如果控制脈沖連續(xù)施加,步進(jìn)電機(jī)也會(huì)不間斷運(yùn)行。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行,本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)按如下方式運(yùn)行,即正轉(zhuǎn)時(shí)為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA順序,反轉(zhuǎn)時(shí)為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。通電控制脈沖的順序決定了A、B、C、D相何時(shí)通電和斷電。每發(fā)一個(gè)脈沖給步進(jìn)電機(jī),它就轉(zhuǎn)一步,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間有關(guān),間隔越短則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。因此,調(diào)整單片機(jī)發(fā)出脈沖的頻率,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速設(shè)置。

1.2.5驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器ULN2003。由于單片機(jī)接口信號(hào)需經(jīng)過(guò)放大后才能連到相應(yīng)的電機(jī)接口,因此通過(guò)ULN2003起到信號(hào)放大的作用。當(dāng)鍵盤(pán)發(fā)出前進(jìn)或后退指令后,經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理,發(fā)出高速脈沖給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖數(shù)精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文中,28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)采用四相五線制,通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片連接到80C51單片機(jī)的P1.4～P1.7輸出管腳上,采用四相八拍工作方式,以下給出四相定義全局變量:

單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的基本原理:從單片機(jī)的輸出管腳按需要發(fā)送方波脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)ULN2003芯片放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本文中選用80C51單片機(jī)P1口的4、5、6、7四個(gè)管腳輸出方波信號(hào),A1、B1、C1、D1為定義好的全局變量。stop一flr為停止按鍵按下信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)的速度計(jì)算公式為:

運(yùn)轉(zhuǎn)速度g(脈沖頻率×60/步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)）/減速比64步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)g360/6.625

四相八拍步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí),Ng8:齒距角:Oag2π/Z,其中Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù):步距角(為轉(zhuǎn)子走一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度）:OzgOa/Ng2π/NZg360/(8×50）g0.n°,則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需步進(jìn)數(shù):360/0.ng400。

1.2.6反饋電路

反饋電路由光柵碼盤(pán)、光柵識(shí)別器和光電轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,碼盤(pán)是反饋單元重要的組成部分,是一種測(cè)量角位移的數(shù)字編碼器,光柵識(shí)別器檢測(cè)碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的步數(shù),通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變換后,將測(cè)量到的鏡頭轉(zhuǎn)角反饋給單片機(jī)。

2系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)完畢后,需要根據(jù)硬件電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)編程,以滿足操作和控制需求,保證各部分電路可以根據(jù)控制信號(hào)正常進(jìn)行工作。

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。利用實(shí)驗(yàn)板上的獨(dú)立按鍵控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。驅(qū)動(dòng)方式采用一相勵(lì)磁,即4條信號(hào)線每次只有一個(gè)為高電平,在實(shí)驗(yàn)板數(shù)碼管上象征性地顯示轉(zhuǎn)速。

以下給出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心程序:

3電機(jī)負(fù)載程度分析

電機(jī)負(fù)載與減速器、傳動(dòng)部分和鏡頭調(diào)焦環(huán)的阻尼有關(guān)。

機(jī)械鏡頭的調(diào)焦環(huán)是安置在鏡頭外側(cè)與鏡頭外徑尺寸相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)旋轉(zhuǎn)部件,不同的鏡頭尺寸不同,通常從最近對(duì)焦距離調(diào)整至無(wú)窮遠(yuǎn)需轉(zhuǎn)動(dòng)180°～270°。

使用NikonAF80-200mm攝影鏡頭,橡膠齒輪為117齒,步進(jìn)電機(jī)齒輪為14齒,電機(jī)傳動(dòng)比為1:8.4。本文鏡頭從焦距最遠(yuǎn)端至最近端旋轉(zhuǎn)約108°,步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)約160轉(zhuǎn)。

4試驗(yàn)結(jié)果

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全圖和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片分別如圖6和圖7所示,在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度為25.6C、測(cè)量距離為3.16m的情況下,電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)為5568步,此過(guò)程用時(shí)14s。

圖6系統(tǒng)全圖

圖7最小系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)圖

5結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的手動(dòng)鏡頭電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),系統(tǒng)可在密封罩內(nèi)使用,以應(yīng)對(duì)特殊環(huán)境。采用80C51單片機(jī)作為控制核心,利用其將按鍵電路和顯示電路結(jié)合起來(lái),組成一個(gè)操作方便、交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編程,具有易維護(hù)性,可以根據(jù)用戶不同需求對(duì)軟件進(jìn)行少量修改,使系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步改善,使用、維護(hù)成本低于自動(dòng)鏡頭。另外,將來(lái)如采用激光測(cè)距模塊取代超聲波測(cè)距模塊,則能進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)適用范圍,比如在真空及水下環(huán)境應(yīng)用,此方面的研究具有實(shí)際工程意義,可以進(jìn)一步深入開(kāi)展。