二维云台的结构设计和运动仿真.doc

武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称： 二维云台结构设计与运动仿真 完成期限：2011年 月 日至2011年 月 日院系名称 高等职业技术学院 指导教师 刘祥燕 专业班级 机电一体化091班 指导教师职称 讲师 学生姓名 胡廷舰 学号：0911282049院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 摘 要安全监控是随着人们生活生产需求应运而生的一项安全技术，安防系统由前端、传输、信息处理/控制/显示/通信三大单元组成。云台系统作为前端转动控制部件，在整个系统中起到非常重要的作用。云台分为固定云台和电动云台，固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。目前这两类云台广泛应用于各种场所，固定云台适用于小范围的监视；电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。步进电机作为云台的转动器件，它的工作可靠性直接影响了云台的质量。此次我们设计的是一个基于AT89S52单片机的云台控制装置。本装置能自动或手动的进行上下移动和水平转动。当角度或高度超过预先设定的限位时，云台停止转动并进行声光报警，并且能自动的对某一范围内的光源进行跟踪，实现准确的定位，当超过预设范围时，自动报警。其中通过键盘按键实现云台自动和手动控制的切换，用LM297和LM298集成芯片驱动步进电机，采用L7805CV和L7812CV芯片作为三端集成线性稳压电源，用LCD液晶显示屏精确的显示云台当前的位置。关键词：云台控制; AT89S52单片机; LCD液晶屏; 步进电机; 定位ABSTRACTSummary security monitoring is as people live production needs have emerged as a security technology, security system consists of a front-end information processing/display/control/communications, transmission, composed of three units. Pan/Tilt systems as a front end turning control part, played an important role throughout the system. PTZ is divided into fixed dome and electric cloud, fixed dome apply for monitoring small, fixed cloud platform installed cameras after a good level and pitch angle of the camera can be adjusted, to achieve the best attitude adjustment as long as the lock after agencies working on it. Electric head scan monitor applies to a wide range, it can expand the cameras monitor range. Currently these two types of cloud platform widely used in various places, fixed dome apply to small-scale monitoring; electrical head scan monitor applies to a wide range, it can expand the cameras monitor range. Electric head is implemented by the two force motor, motor accepts signals from the controller to run precise positioning. Under the action of control signals, cloud on the camera can automatically scan monitoring area, also available at the control centre duty officer manipulated by tracking and monitoring of objects. As head of stepping motor rotation device, reliability of its work directly affects the quality of pan/tilt. This we will design a PTZ control device based on AT89S52 microcontroller. The appliance can automatically or manually moved up and down and horizontal rotation. When the angle or height exceeds a predetermined limit position, head stop and sound and light alarm, and automatically track on a range of light sources, for accurate positioning when you exceed a preset range, auto alarm. Through the keyboard pressed key realization of automatic and manual control for pan/tilt switch, LM297 and LM298 integrated chip driving stepping motor, use L7805CV and L7812CV chips as a three-Terminal integrated linear regulated power supply, LCD liquid crystal display precise PTZ current location is displayed. Key words: pan/tilt control; AT89S52 microcontroller and LCD flat panel screens; stepper motor; positioning目 录1 绪论31.131.241.351.4 设计任务的提出和主要研究内容62 振动下料机的工作原理及基本结构6383.183.283.393.3.193.3.2103.4113.4.1113.4.2123.4.3124165195.1195.2205.2.1205.2.2215.2.3215.2.4225.2.5235.2.6236236.1236.2257257.1257.2278 总结展望29参考文献30附 录32外文资料35中文翻译49致 谢62绪 论安全监控是随着人们生活生产需求应运而生的一项安全技术，安防系统由前端、传输、信息处理/控制/显示/通信三大单元组成。云台系统作为前端转动控制部件，在整个系统中起到非常重要的作用。摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，用于摄像机与支撑物之间的连接，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就可以通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值。云台分为固定云台和电动云台，固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。目前这两类云台广泛应用于各种场所，固定云台适用于小范围的监视；电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。步进电机作为云台的转动器件，它的工作可靠性直接影响了云台的质量。目前国内外的云天控制技术系统已经相当的成熟，它给人们的生产生活带来了极大的便利，为人们的生命财产安全提供了相当大的保障。云台系统已经运用到了生活的几乎每一个场所，当需要对某个地方进行实时监控时，就可以很方便的运用其代替人力，很大程度上降低了人力资源，并且还可以根据需要进行远程监控，这一点在生活中是及其有利的，它很大程度上节约了时间。目前市面上所生产的云台控制器，大都采用一体化设计，这种设计方法具有密封性能好、集成度高便于安装等优点。1.1系统设计目的在实时监控、在线直播、公安、教育等许多领域都需要用到计算机控制云台动作及摄像机镜头的焦距、景深、光圈。云台是一种设备，专门用于监控时调整摄像头位置。摄像头安装于云台之上，通过开关电源，就可实现摄像头在垂直方向进行俯仰运动、水平方向进行摆动，从而调整监视位置。云台镜头控制系统除了控制摄像头的俯仰和水平运动控制外，通常还要控制电子镜头（安装于摄像头前端、电机控制的光学镜头）的聚焦、光圈和变倍等，以便调整视野范围和清晰度。能够很好的进行实时监控和精确定位。本次设计注重对单片机工作原理以及键盘控制及显示原理的理解和应用，以便今后自己在单片机领域的学习和开发打下基础，提高自己的动手能力和设计能力，培养创新能力，丰富自己的理论知识，做到理论和实践相结合。本次设计的重要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解，同时还对单片机的接口技术，中断技术，存储方式和控制方式作更深层次的了解。此次设计更进一步了解基本电路的设计流程，提高自己的设计理念，丰富自己的理论知识，巩固所学知识，使自己的动手动脑能力有更进一步提高，为自己今后的学习和工作打好基础，为自己的专业技能打好基础。1.2 系统设计思想本次所设计的云台控制系统，在一定范围内，能完成垂直方向的移动和水平方向的转动，从而达到对目标的实时跟踪和精确定位。本设计中我们用at89s52单片机进行控制，通过键盘可以实现手动云台控制，使其做垂直方向的上下移动60cm和水平方向的左右转动60度；通过按键实现云台自动和手动控制的切换，当切换到自动档时，能使云台自动跟踪某一可见光源（40W灯泡），用步进电机进行调速。根据设计的思想，所画的系统总体框图如下所示：图一 系统整体框图主控芯片为AT89S52，采用4*4键盘，其上不同的按键代表不同的功能；采用红外进行光源检测，采用LCD液晶显示屏进行显示，用LM297和LM298集成芯片驱动步进电机，采用L7805CV和L7812CV芯片作为三端集成线性稳压电源。该云台有两个电机（一大一小），分别负责云台的上下和左右方向的转动。其工作电压的不同也决定了该云台的整体工作电压，我们使用了直流5V和直流12V。当进行上、下动作时，大的电机转动，经滑轮带动云台垂直动作；当进行左、右动作时，小电机转动直接带动云台底部滑轮转动。1.3 系统设计方案（一）系统设计方案的提出本设计是基于AT89S52单片机的键盘控制及显示电路设计，从系统的设计功能上看，系统可分为四大部分，即数字显示部分、控制移动或转动部分、电源部分和电机驱动部分，对于每一个部分都有不同的设计方案，起初我们组拟订了下面两种方案：1.数字显示部分(1) 采用LED 数码管显示，利用多个数码管来显示数字。（2）LCD液晶屏显示。2.控制移动或转动部分（1）用按键控制动作。（2）用4*4键盘控制动作。3电源部分：(1)购买开关电源。（2）自制电源。4.电机驱动部分（1）用交流电机。（2）用直流步进电机，采用集成芯片LM298与LM297组成驱动电路。（二） 方案比较及确定（1）若用LED数码管显示，LED数码管亮度高、小巧轻便，但是电路复杂，显示信息量较小；LCD的优点是：工作电流较小、功耗很低，而且可以清晰显示大量信息，趣味性强。所以选用LCD液晶显示。(2)对于控制移动或转动部分用第一种方案实现原理太简单，用第二种方案使用键盘控制，易于控制，操作简单、方便，故选用第二种方案。（3）购买的开关电源带负载的能力比较好，比较稳定，但是为了提升自己的动手能力，我们选择自己焊接所需的电路。（4）若用交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4/秒6/秒，垂直转动速度为3/秒6/秒。其缺点是无法大电流驱动.降低了工作效率且不容易实现。若选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达4050/秒，垂直可达1024/秒。这种电路通过芯片产生正反向电压.用于控制云台的运行方向开启，运行.实现对云台电机运转状态的控制.从而保证了可以简单地实现转速和方向的控制：开关速度很快.稳定性极强.效率也非常高。基于上述考虑.我们拟选用方案二。1.4创新性、实用性、可行性本装置的研制是在控制领域的新应用，该云台控制装置，不仅能自动或手动的进行上下移动和水平转动，而且能够对高度和角度进行任意的设置，而且能对某些信号进行跟踪，从而实现一定范围内的定位，并且当超过预设范围时还具有自动报警的功能。本装置采用LCD液晶进行显示，显示的内容丰富。本装置有很好的固定装置而且价格便宜、操作简单灵活。无论是用于实时监控，还是电视台的在线直播，该云台控制装置都是不错的选择。该系统的设计很好的满足了各行业的需求，是一个理想的智能化的设计，还能够对信号进行跟踪，功能较多，造价低，应用非常广泛。该系统的设计为人们提供了方便，同时又扩大了单片机的应用领域。我们利用电机拖动和数字电路的知识设计了云台控制装置，该控制装置的设计采用模块化结构，采用AT89S52单片机芯片作为中央处理芯片，用LM297和LM298集成芯片驱动步进电机，采用L7805CV和L7812CV芯片作为三端集成线性稳压电源，采用LCD进行显示。从理论技术上来看，本系统具有可行性。44第4章 系统硬件设计根据系统要实现的功能，本系统分为五个模块：稳压模块、驱动模块、键盘模块、显示模块和控制模块。分别将各单元模块功能介绍如下：2.2.1稳压模块稳压电源模块我们采用三端集成线性稳压集成块：L7805CV和L7812CV芯片。本设计中我们所需的5V电源使用L7805CV芯片完成。因为它的外围电路比较简单，并且工作比较稳定。它的稳压精度为2%，工作电流1.5A，封装为TO-220(A)，工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，能对电路的长时间工作有很大的保障，故用其作为稳压芯片。所需的12V电源我们使用L7812CV芯片完成。2.2.2驱动模块步进电机是数字控制系统中的一种重要执行元件，广泛应用于各种控制系统中。 步进电机的驱动电路一般由两部分组成，一部分是数字逻辑部分，即环行脉冲分配器，它决定步进电机各项绕组的通电顺序。 另一部分是功率放大部分，它提供步进电机所需要的功率设计中我们采用集成芯片LM298和LM297组成驱动电路，选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，是因为其具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达4050/秒，垂直可达1024/秒。这种电路通过芯片产生正反向电压.用于控制云台的运行方向。实现对云台电机运转状态的控制.从而保证了可以简单地实现转速和方向的控制。开关速度很快，稳定性极强，效率也非常高。该驱动电路既可以驱动步进电机也可驱动直流电机，原理图如下所示：图二 步进电机驱动原理图该电路结构简单，可靠性高，可与单片机直接连接，对两相永磁式步进电机具有很好的驱动和控制能力。2.2.3键盘模块本系统中，由于按键较多，为了减少I/O口的占用，我们采用4*4键盘。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。右图为4*4矩阵键盘图： 4*4矩阵键盘图结合键盘矩阵图，将各按键的功能列表如下：按键编号按键功能1数字12数字23数字34数字45数字56数字67数字78数字89数字90数字0/跳出右转左转下降上调=复位/停止ON/C切换模式右图是一个4*4键盘的接线图： 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。通过键盘模块，我们可以对当前状态任意的进行设置和清零。比如设置上移、下移、左转、右转、停止报警等。2.2.4显示模块本系统我们采用LCD液晶显示屏进行显示。LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。在系统中，LCD主要进行高度和角度的显示。2.2.5 控制模块 本设计的所用的单片机系统其实就是单片机最小系统，所谓最小系统就是能是单片机正常工作的最少配置。本此设计的单片机系统由AT89C52单片机、复位电路、时钟电路和电源电路组成，如图4-2所示。 图4-2 单片机最小系统本设计中我们采用AT89S52单片机作为主控芯片，At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。下图即为AT89C52。图4-1 AT89C52 3 系统软件设计此云台系统可分为手动和自动控制两种模式，手动模式主要通过键盘来控制垂直和水平方向移动的距离和角度，自动模式则是依靠五个不同方向的接收管来检测和跟踪光源，各部分程序设计如下：3.1手动控制模式程序流程图如下：部分程序：if(Mode=0)Temp=Key_Scan();Delay(40000);if(Temp10)switch(flag)case0:Num=Temp;flag+;break;case1:Num=Num*10+Temp;break;elseswitch(Temp)case10:Up();break;case11:Down();break;case12:Left();break;case13:Right();break;case15:Mode=!Mode;break;default :break;3.2自动控制模式程序流程图如下：部分程序：voidSearchLight() switch(DoubleLed) case0xfe:SearchLightUp(); break; case0xfd:SearchLightDown();break;case0xfb:SearchLightLeft();break;case0xf7:SearchLightRight();break;case0xfa:Up_Left();break;case0xf6:Up_Right();break;case0xf9:Down_Left();break;case0xf5:Down_Right();break;default:Stop();Display();break; 3.3 程序总流程图 图四 系统程序流程图3.3 主函数程序#includemain.hvoidmain()Lcd_Init();Welcome();ChooseMode();while(1)if(Mode=0)Temp=Key_Scan();Delay(40000);if(Temp0;x-)for(y=110;y0;y-);6.5 串口中断模块在本系统中，单片机通过串口向单片机发送远距离控制信号，一旦PC机发送控制信号后，单片机接受到信息产生中断，通过中断服务程序去控制步进电机动作。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。6.6 步进电机动作模块在本系统中，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或者相反顺序通电的。单片机的P2的低四位分别连接的是控制云台竖直方向转动电机的A、B、C、D四相，高四位则分别接的是控制云台水平方向转动的电机的A、B、C、D四相。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、movelefe、moveright。另外为了还在本次系统只还设置了自动运行方式，这种方式是通过循环调用moveup、movedown、movelefe和moveright函数来实现自动运行的。第7章 系统调试与运行仿真是一项非常有效的检测设计工作是否达到预期的结果方法，而且非常具有实际意义。一项新的系统不经过调试仿真就直接进入实用，这样是非常不科学的，既费时又费里，所以一项新的设计只有在经过了仿真的考验才能真正的得到实际应用。仿真就是一个完成目标模型的建立过程，对于本次设计来说仿真所要完成的工作有：搭建虚拟串口、Keil软件中程序的编译并生成HEX文件、Proteus仿真软件电路模型的建立。7.1 虚拟串口首先安装好SerialNull虚拟串口软件和串口调试助手SComAssistant V2.1，分别对其进行设置。打开SerialNull虚拟串口软件，进入主界面，如图7-1所示。图7-1 SerialNull界面添加虚拟端口，一般电脑最多为两个串行口，这里我们选择端口一为COM2和端口二为COM3，点击添加端口就添加了这两个串口，在虚拟端口下就会看到有两个串口。这样我们就完成里串口的设置，可以把此软件关闭，这两个端口将会一直存在于你的电脑中，下次直接使用就可以了。7.2 Keil软件程序编译前面已经介绍了Keil软件的使用方法，这里不再陈述。现在我们要做的是源程序代码的编译，最终目的是生成HEX文件。操作步骤如下：（1） 启动uVision2，创建一个项目文件，文件名为lijian，并从器件库中选择1款合适的CPU，我选择的是AT89C52。（2） 创建一个新的源程序文件，文件名为lijian.C，并把这个源文件添加到项目中。（3） 为该单片机添加或配置启动程序代码，代码如附录所示。（4） 设置工具选项，使之合适目标硬件。（5） 编译项目并创造一个可供PROM编程的.HEX文件。完成以上步骤我们就完成了源程序代码生成.HEX文件的任务。7.3 Proteus仿真同样前面已经介绍了Proteus ISIS软件的使用方法，这里不再多说。现在要做的是将系统电路图绘制在Proteus ISIS编辑窗口中，添加完成相应的设置并添加由Keil软件生成的.HEX文件。主要介绍Proteus仿真软件的设置。在Proteus ISIS编辑窗口中，单击鼠标右键将AT89C52单片机选中并单击鼠标左键，弹出“Edit Component”对话框，如下图7-2所示。在此对话框的“Clock Frequency”栏中设置单片机的晶振频率为11.0592MHz，在“Program File”栏中单击图标，选择先前用Keil uVision2生成的“lijian.HEX”文件。在Proteus ISIS菜单栏中单击保存图标，保存设计，生成“lijian.DSN”文件。图7-2 “Edit Component”对话框在Proteus ISIS编辑窗口中单击，则会弹出虚拟终端virtual terminal显示框，它的作用主要是显示PC通过串口发送的信息。下面我们再把用VC编写的PC控制界面打开，如图7-3所示。首先点击打开串口，再执行相应的操作。图7-3 PC控制界面第8章 结束语毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的单片机系统设计，各种元器件的选用，各种设备的适用标准，各种软件的使用方式，信息远距离传输，抗干扰能力强等问题，随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程项目问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图仿真等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了极大的锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。本文构建了一个完整的基于单片机的云台步进电机控制系统。分析云台控制系统的具体实际要求，提出了详细的设计方案，设计该系统主要分为单片机外围，步进电机驱动，RS485总线这三部分。在系统设计中，了解步进电机的控制原理后，我解决了电机的驱动器件；RS485总线设计中，经上网查找相关资料，提出了RS485/RS232电平转换解决方案及接口电路相关问题的解决方案。经过软件调试仿真，本系统不仅能够实现键盘按钮控制云台步进电机，而且还可以通过PC远距离控制云台步进电机，完成了本设计的最终任务，得到了预期的结果。在这次毕业设计中也遇到了许多问题，程序的编写、调试工作，经过一次一次程序的修改、一次一次的编译、一次次的尝试，不断在错误中进步，最终完成了程序的编译。经过程序代码的编写及成功仿真，我对其有了一定的了解，对其中的某些错误有了一定的反应能力。致谢本次毕业设计论文是在陈昌忠老师悉心指导下完成的。从接受课题到现在完成毕业设计论文,衷心的感谢老师给予精心的指导和热情的帮助,尤其在课题设计的准备阶段和设计阶段,老师提出许多宝贵的设计意见,这样使得我得以顺利的完成毕业设计开发工作,在短暂的相处时间里,老师渊博的知识,敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象,这将使得我终身受益,谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。其次，我要特别感谢兰发平同学对本次毕业设计的指导，他为完成这篇论文提供了巨大的帮助。最后