基于單片機實現(xiàn)攝像機運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

0 引言

采用單片機為核心設(shè)計的云臺控制器在監(jiān)控場合能實現(xiàn)控制攝像機進行大范圍、寬角度的移動，以使攝像機能夠達到接近360°全景式攝像，且其在經(jīng)濟性、靈活性、擴展性和可維護性等方面都具有獨特的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:①單片機：設(shè)計的核心，在軟件的配合下實現(xiàn)對鍵盤所輸入信息的識別，根據(jù)輸入信息向云臺中的步進電機發(fā)出指令，使其實現(xiàn)正/ 反轉(zhuǎn)、速度控制、程序控制等功能，并將步進電機的轉(zhuǎn)速通過數(shù)碼管顯示出來;②步進電機及驅(qū)動：負責云臺系統(tǒng)在豎直和水平兩個方向上的轉(zhuǎn)動，是系統(tǒng)的執(zhí)行部件;③鍵盤：外部信息的輸入器件，是控制人員指揮云臺系統(tǒng)工作的重要組成部分; ④顯示器件：將步進電機的實時轉(zhuǎn)速顯示出來，以便控制人員根據(jù)轉(zhuǎn)速來確定對云臺的控制策略。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路按系統(tǒng)功能劃分為步進電機及其驅(qū)動模塊、單片機及其外圍電路、鍵盤及顯示電路共三部分,系統(tǒng)硬件功能框圖如圖一所示。

2.1 步進電機控制及驅(qū)動模塊的選擇

驅(qū)動器接收到脈沖信號之后，驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運行的?？赏ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達到準確定位的目的；同時可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，達到調(diào)速的目的。所選步進電機為兩臺混合式步進電機57BYG250C，具有兩相/ 四相運行能力，四拍工作時步距角為1.8°，八拍為0.9°。步進電機驅(qū)動模塊型號為HB202A，具備4/8 拍轉(zhuǎn)換控制信號、脫機（FREE）控制信號、輸入信號光電隔離等功能。設(shè)計中增加了一個脫機控制鍵，在出現(xiàn)故障或調(diào)試時將兩臺電機置于脫機狀態(tài)，可手工調(diào)節(jié)步進電機。脫機控制鍵直接與單片機INT0 相接，設(shè)INT0 為最高優(yōu)先級，以便在故障時能迅速實現(xiàn)脫機控制。由于不經(jīng)過8279 而直接接在單片機上，則必須設(shè)置鍵盤去抖動電路，以免使單片機產(chǎn)生誤操作。

2.2 鍵盤及顯示電路設(shè)計

鍵盤及顯示電路采用INTEL8279 來實現(xiàn)。鍵盤采用N鍵循回方式，顯示為8 位左端送入。8279 外接2＊8 鍵盤和八位顯示器，采用編碼掃描方式。8279 的IRQ 和單片機的INT1相接，只要有鍵按下，就會申請中斷。當單片機外接12M 晶振時，ALE 為2M，而其與CLK 相連，所以其分頻命令字為34H。通過8279 所擴展的按鍵共16 個，8 個負責兩個方向上的步進電機的正反轉(zhuǎn)，8 個是功能鍵，分別負責步進電機的加減速、程序控制、步進電機的限位開關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要由初始化程序、鍵盤程序、速度控制程序、轉(zhuǎn)速檢測及顯示程序組成。除初始化程序外，其余程序均采用中斷工作方式，提高了CPU 的利用率。

3.1 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計

先對單片機各中斷源進行初始化，使用五個中斷源：INT0、INT1、T0、T1、T2，INT0、T0、T1 為高優(yōu)先級，INT1、T2 為低優(yōu)先級。INT0 申請中斷，則程序立即使步進電機進入脫機控制程序，步進電機不再受單片機的控制，且是電平觸發(fā)，單片機始終執(zhí)行脫機程序，直至外部觸發(fā)信號由操作人員手工撤銷，系統(tǒng)才恢復正常工作。后設(shè)置T0、T1、T2 的工作方式，并寫入計數(shù)處置，開啟這幾個中斷源的允許位，打開CPU 中斷。

3.2 鍵盤程序的設(shè)計

鍵盤鍵按下后產(chǎn)生中斷申請，單片機響應(yīng)中斷后，開始執(zhí)行中斷程序。從8279 內(nèi)部將產(chǎn)生的鍵值讀出，并根據(jù)鍵值來執(zhí)行相應(yīng)的程序。CPU 接收到該信息后，并不立即動作。為保證步進電機速度控制的穩(wěn)定性，先保存該鍵值所對應(yīng)的命令，在T0/T1 到達所設(shè)定的計數(shù)值之后，按一定的速度需要輸出脈沖時，再將該信息送至步進電機。

3.3 步進電機的速度控制軟件設(shè)計

改變驅(qū)動模塊CP 信號的頻率來改變步進電機的轉(zhuǎn)速，改變CP 信號的頻率可以通過定時/ 計數(shù)器來實現(xiàn)。先給定時/ 計數(shù)器裝載初置，后使其開始運行，到達規(guī)定的時間后執(zhí)行中斷程序，此時可將產(chǎn)生CP 信號的程序放在此中斷程序中，就達到了改變步進電機轉(zhuǎn)速的目的。S52 內(nèi)部的T0 和T1 分別對應(yīng)了兩個步進電機的速度控制，其工作過程如圖二所示。

3.4 轉(zhuǎn)速檢測及顯示軟件設(shè)計

采用定時計數(shù)法，在一定的時間內(nèi)對單片機發(fā)送給步進電機的步進脈沖進行計數(shù)。設(shè)單片機每50ms 檢測一次向步進電機所發(fā)出脈沖的個數(shù)N，N 與轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系：


只要將檢測到的脈沖數(shù)N 乘以3，就可以得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。50ms 的定時由S52 內(nèi)部的第三個定時/ 計數(shù)器T2 來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

單片機構(gòu)成的云臺控制器不僅具有控制精度高、控制方式靈活、程序編制簡單、功耗低、可靠性高等特點，且某些新型單片機更具有在線編程功能，不需把單片機從工作環(huán)境中剝離出來即可進行程序更新，方便了軟件的維護，并可根據(jù)需要，由預先編制的程序自動對兩方向上的驅(qū)動電機進行協(xié)同控制。