基于AVR单片机的云台控制系统设计与实现

基于AVR单片机的云台控制系统设计与实现摘 要： 为了满足监控系统中云台高速度以及高精度的要求，利用AVR单片机设计云台控制系统，并给出系统总体方案。根据云台的功能需求，构建以单片机ATmega128为核心的硬件系统，设计系统的软件程序，并通过RS 485总线实现串口与PC机通信，控制云台的上下和垂直运动。通过对整个系统的研究发现，其达到了预期的要求，具有良好的运行效果。关键词： AVR单片机； 云台控制； 串行通信； ATmega128中图分类号： TN41?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?0160?03Abstract： In order to satisfy the requirements of PTZ （pan tilt zoom） high speed and high precision in monitoring system， the PTZ control system was designed with AVR microcontroller， and the overall system scheme was given. According to the function demand of PTZ， the hardware system taking ATmega128 as the core was constructed， the system software program was designed， and the communication between serial port and PC was realized through RS 485 bus to control the horizontal movement and vertical movement of PTZ. The study of the whole system found that the system can achieve the expected requirements， and has good operating results.Keywords： AVR microcontroller； PTZ control； serial communication； ATmega1280 引 言随着时代的发展，人们的生活水平逐渐提高，对生活的安全性要求也越来越高。视频监控系统很好地满足了人们的需求，能够有效监控不同情况的发生，提高生产和生活的安全系数。监控系统一般由前端信息采取、传输以及控制三部分组成，其中云台系统控制着摄像机不同方位的运动，是监控系统的核心部分。云台系统是摄像机和支撑物的中间部分，能够通过自身的运动控制镜头水平和垂直运动，这就扩大了监控系统的范围，提高其使用价值。传统的云台控制主要是人工操作的，这样对监控人员和地理位置就有很大限制，存在一些监控的死角。因此，远程自动控制的云台逐渐成为监控的新趋势。自动的云台控制系统能够根据控制器发出的信号来定位和监控不同的区域，实现大范围的扫描，提高监控设备的自动化管理。目前市场上的云台系统能够实现：水平方向的360无限制旋转；090的垂直方向滑动；180的自动翻转；能够记忆多个预置位和轨迹；能够实现用户设定的不同速度和不同角度的监视。综合上面的性能，本文提出了一种基于AVR单片机的云台控制系统方案，以单片机ATmega128为核心设计了硬件系统，并完成了软件系统编程。经过研究发现，其稳定性强、可靠性高，达到了设计的要求。1 总体方案设计云台控制系统的主要功能是扩大摄像机的监控范围和控制镜头的参数，其系统的组成框图如图1所示。整个云台控制系统利用计算机和解码器进行通信，在服务器和解码器之间是通过RS 485串口连接的。所谓的解码器就是接收计算机的控制命令，对编码进行解析，驱动摄像机和云台的转动。客户机与服务器通过Internet连接，在客户端根据功能的要求编写代码，运行TCP/IP协议发送到服务器上。从功能上讲，主要分为两大模块，分别是镜头模块和运动模块。其中镜头模块主要控制镜头的参数，运动模块主要进行上下、左右动作控制以及预置位的控制。另外，还有电源模块为其他模块提供电源，云台系统功能图如图2所示。2 系统硬件设计云台控制的硬件设计主要由主控制器设计、驱动电路设计、通信电路设计、电源电路设计等组成。2.1 主控制器设计ATmega128型单片机是由ATMEL公司研发的，具有先进的RISC结构，低功耗的8位处理器，拥有133条指令。在线编程FLASH存储器可达到128 KB，4 KB的E2PROM存储区，可扩展的外部存储空间达到64 KB。它共有64个引脚，53个可以编程的输入和输出接口线，其中XTAL1，XTAL2是晶振接入引脚，AREF是A/D转换器的参考电源，PEN是串行下载的编程使能信号。2.2 驱动电路设计为了实现云台控制系统性能，并且综合考虑了功能、结构、体积等因素，选择了两相步进电机。步进电机的驱动电路是由ULN2003A完成的，ULN2003A是高压大电流的集成电路，内部主要由NPN达林顿管构成，能够在5 V的工作环境下直接和TTL以及CMOS相连。较高的工作电压和强大的负载能力使得它常用来驱动大功率的系统。驱动电路图如图3所示。2.3 通信电路设计由于云台系统是远程控制的，串口通信的设计就显得很重要。采用RS 485总线，这主要是其通信的速率高、传输距离远以及抗干扰的能力比较强。PC机上面配备的是RS 232串口，因此要先实现电路的转换，如图4所示，然后是通信接口的设计。在设计转换电路时，运用的是SN75LBC184芯片，该芯片能很好地保证数据接口的转换。SN75LBC184是美国TI公司生产的一种RS 485接口芯片，可在总线上连接64个收发器。在上位机向下发送数据时，对于分布式系统当中的每个单片机系统的接收，应该遵从一定的数据传输协议，以便有效分布上位机发送的数据，单片机系统能可靠的接收，同时单片机系统采集的现场数据同样也可以可靠的被上位机接收到。2.4 电源电路设计单片机需要的是5 V电源，而输入的是912 V电源，所以需要稳压电路把912 V稳压到5 V，电源电路设计采用7805线性稳压，电容起到滤波的作用，一个发光二极管作电源指示灯。3 系统软件设计在完成硬件电路后，需要通过编程实现云台的不同功能。云台系统的控制分为主单片机和从单片机，两者之间是相互配合的。主从单片机的功能模块并不相同。其中主单片机的功能主要是实现与键盘、从单片机的通信以及镜头的控制等；从单片机的功能主要是实现和主单片机通信、电机控制以及不同位置的记录等。选用C语言进行编程，这主要是由于其自身存在很多优点。在编程的时候，只需要对存储结构进行设计即可。除此之外，软件程序的设计模块化方便了系统的维护和调试。强大的数据处理能力和便捷的编程方式为功能的实现提供了基础。整个云台控制系统分为初始化，键盘扫描，串口中断，延时程序和步进电机运转五部分。主函数通过调用各子程序实现键盘扫描，串口中断程序的调用实现了步进电机的控制。系统流程图如图5所示。3.1 初始化模块和键盘模块初始化就是在应用系统中对软件进行初始化设置，以满足该系统的正常工作。初始化程序包括两部分：定时器初始化和串口初始化。而这些都是通过设置相应的特殊功能寄存器来实现的。定时器初始化包括定时/计数器选择、定时/计数器工作方式、计数器设初值、打开定时器；串口初始化包括串口工作方式设置、打开串口、开总中断。综合考虑，本设计单片机I/O资源比较丰富，所以采用独立式键盘。独立式键盘的每一个按钮直接与单片机的P0相连接，当其中有一个按钮被按下时，P0口的相应位就被置为高电平，没有按下则为低电平。所以单片机只需要识别P0的值就可以做出相应的动作。3.2 延时模块和串口中断模块当单片机通过串口向PC机发送远距离控制信号时，一旦PC机发送控制信号后，单片机接收到信息产生中断，通过中断服务程序控制步进电机动作。由于串口中断具有优先级别高的特点，所以不需要担心键盘和串口信息发生冲突。3.3 步进电机模块在控制系统中，步进电机的运行方式选用的是单、双8拍运行方式，即按A?AB?B?BC?C?CD?D?DA?A或者相反顺序通电。在编程中，将步进电机通电相的正序、反序分别放在两个数组中，在电机动作模块中使用不同的数组，就能达到控制电机的正转、反转，它们分别为moveup，movedown，moveleft，moveright。另外，还在系统中设置了自动运行方式，这种方式是通过循环调用moveup，movedown，moveleft和moveright函数实现自动运行的。4 系统运行测试本系统使用AVR单片机控制步进电机的运动，通过键盘输入步进电机的转动方向、速度。由单片机发出相应的控制信号，实时改变步进电机的运动 。整个系统具有线路简洁、性能良好、成本低、可靠性高等特点，具有一定的实用性。监控画面图如图6所示。从图6的监控画面可以看到，云台系统运行稳定并且是可靠的，能够精确地控制云台不同方位的转动、聚焦以及缩放，达到了预期目标。5 结 语随着人们安全意识的提高，监控系统也逐渐发展起来。云台系统作为监控系统的核心部分，具有重要的意义。本文介绍了基于AVR单片机的云台控制系统，设计了总体的运行方案。从主控制器设计、驱动电路设计、通信电路设计、电源电路设计等方面阐述硬件设计，从初始化，键盘扫描，串口中断，延时程序和步进电机运转等方面描述软件系统，整个云台系统经过测试，实现不同角度和距离的拍摄。整个系统达到了预期的设计目标，并具有良好的性能，具有一定的实用价值和市场前景。参考文献【1】 耿德根，宋建国，马潮，等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2001.【2】 尚青青，朱秀昌.高清视频监控中心的设计与实现.电视技术，2013，37（11）：186?187.【3】 吴益飞，李胜，蔡骅.基于MSP430单片机的云台控制系统设计与实现.微计算机信息，2006，22（20）：90?93.【4】 张梦娜，于鸿洋.基于C/S模式的远程云台控制系统设计与实现.电视技术，2014，38（13）：145?148.【5】 侍磊，韩宝玲，罗庆生，等.球形智能机器人云台控制系统的设计与实现.机械设计与制造，2011（3）：148?150.【6】 张刚.基于MSP430单片机的云台控制系统设计与实现.电子制作，2013（6）：29.【7】 姬广芹.一种通用的云台控制框架设计与实现.南京：南京邮电大学，2010. 董蕴华，魏辉.云台镜头控制系统终端解码器的设计与实现.河南机电高等专科学校学报，2005，13（2）：54?55. 曹赢，程磊，方康玲.驱动伺服一体化型机器人云台系统的设计与实现.计算技术与自动化，2008，27（4）：31?34. 王炼.高速球型摄像机控制系统设计与实现.南京：南京理工大学，2008.