畢業(yè)設計基于單片機的云臺控制系統(tǒng)設計

1、 畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的云臺控制系統(tǒng)設計學 生： 學 號： 專 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級： 指導教師： 摘 要本論文在分析了云臺結構和控制要求的基礎上，設計了以at89c52單片機為控制器的云臺控制系統(tǒng)，同時通過rs-485總線的串口通信實現(xiàn)與pc機之間的通信。該控制系統(tǒng)由單片機控制模塊、鍵盤模塊、電機驅(qū)動模塊、遠程控制模塊組成，并進行相應的軟件設計、調(diào)試和仿真。關鍵字: at89c52；云臺控制；步進電機；串口通信；仿真abstractthis paper design a yuntai control system using at89c52 mcu based on anal

2、ysis of the yuntai of the structure and its control requirements. and the same time realize communication of computer through serial communication of rs-485 bus. mcu control module, keyboard module, motor driver module and remote control module comprise the control system. and complete the correspon

3、ding software design, testing and simulation.key word: at89c52; yuntai control; stepper motor; simulation ;serial communication目 錄摘 要iabstractii第1章 引言11.1 云臺11.2 單片機11.3 本設計完成的任務2第2章 云臺32.1 云臺概述32.1.1 云臺內(nèi)部結構32.1.2云臺的性能指標32.1.3云臺電機52.2 步進電機62.2.1步進電機的工作原理62.2.2 步進電機主要技術指標8第3章 總體方案103.1云臺控制系統(tǒng)簡析103.2控制

4、系統(tǒng)實現(xiàn)10第4章 系統(tǒng)硬件設計124.1 at89c52單片機簡介124.1.1 at89c52124.1.2 at89c52各引腳功能134.1.3 at89c52串口通信154.1.4 at89c52中斷系統(tǒng)164.2 單片機系統(tǒng)184.2.1 復位電路184.2.2 時鐘電路184.2.3 電源電路194.3 uln2003a驅(qū)動電路194.4 rs485總線設計214.4.1 rs-232/rs-485電平轉(zhuǎn)換電路214.4.2 rs-485終端單片機接口電路224.5 鍵盤23第5章 軟件基礎255.1 c語言簡介255.2 keil 編譯器255.2.1 keil 8051 c編

5、譯器簡介255.2.2 如何使用keil軟件開發(fā)265.3 proteus仿真軟件315.4 mscomm控件375.4.1 基于vc的mscomm控件串口編程基本步驟385.4.2 mscomm控件屬性385.5 visual c+軟件38第6章 系統(tǒng)軟件設計426.1 系統(tǒng)流程426.2 初始化模塊436.3 鍵盤模塊446.4 延時模塊446.5 串口中斷模塊446.6 步進電機動作模塊45第7章 系統(tǒng)調(diào)試與運行467.1 虛擬串口467.2 keil軟件程序編譯467.3 proteus仿真47第8章 結束語49致謝50參考文獻51附錄一 單片機程序源代碼53附錄二 上位機源程序58附

6、錄三 單片機云臺控制系統(tǒng)電路原理圖60第1章 引言1.1 云臺安全監(jiān)控是隨著人們生活生產(chǎn)需求應運而生的一項安全技術，安防系統(tǒng)由前端、傳輸、信息處理/控制/顯示/通信三大單元組成。云臺系統(tǒng)作為前端轉(zhuǎn)動控制部件，在整個系統(tǒng)中起到非常重要的作用。攝像機云臺是一種安裝在攝像機支撐物上的工作平臺，用于攝像機與支撐物之間的連接，同時它具有水平和垂直運動的功能，在云臺水平、垂直運動的同時，它也帶動攝像機做相同的運動，這樣就可以通過控制云臺的運動來控制攝像機的運動，它與攝像機配套使用能達到擴大監(jiān)視范圍的目的，提高了攝像機的使用價值。云臺分為固定云臺和電動云臺，固定云臺適用于監(jiān)視范圍不大的情況，在固定云臺上安裝

7、好攝像機后可調(diào)整攝像機的水平和俯仰的角度，達到最好的工作姿態(tài)后只要鎖定調(diào)整機構就可以了。電動云臺適用于對大范圍進行掃描監(jiān)視，它可以擴大攝像機的監(jiān)視范圍。目前這兩類云臺廣泛應用于各種場所，固定云臺適用于小范圍的監(jiān)視；電動云臺適用于對大范圍進行掃描監(jiān)視，它可以擴大攝像機的監(jiān)視范圍。電動云臺是由兩臺執(zhí)行電動機來實現(xiàn)，電動機接受來自控制器的信號精確地運行定位。在控制信號的作用下，云臺上的攝像機既可自動掃描監(jiān)視區(qū)域，也可在監(jiān)控中心值班人員的操縱下跟蹤監(jiān)視對象。步進電機作為云臺的轉(zhuǎn)動器件，它的工作可靠性直接影響了云臺的質(zhì)量。目前國內(nèi)外的云天控制技術系統(tǒng)已經(jīng)相當?shù)某墒欤o人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，為

8、人們的生命財產(chǎn)安全提供了相當大的保障。云臺系統(tǒng)已經(jīng)運用到了生活的幾乎每一個場所，當需要對某個地方進行實時監(jiān)控時，就可以很方便的運用其代替人力，很大程度上降低了人力資源，并且還可以根據(jù)需要進行遠程監(jiān)控，這一點在生活中是及其有利的，它很大程度上節(jié)約了時間。目前市面上所生產(chǎn)的云臺控制器，大都采用一體化設計，這種設計方法具有密封性能好、集成度高便于安裝等優(yōu)點。1.2 單片機單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：cpu、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。單片機是將中央處理器，隨機存儲器，只讀存儲器，定時器芯片和i/o接口電路集

9、成于一個芯片上的微控制器。單片機以其價格低廉，功耗小，工作可靠，可編程等優(yōu)點，得到應用者的青睞。單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很多力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。單片機通過編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。單片機所具有的特點：（1） 高集成度，體積小，高可靠性（2） 控制功能強（3） 低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 （4） 易于擴展（5） 優(yōu)異的性價比目前單片機滲透到人們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳

10、輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。1.3 本設計完成的任務本次設計是以單片機為控制器，設計一個云臺控制系統(tǒng)，使云臺按期望的方式運行，同時還要與遠程控制室計算機進行通信。本次設計完成的任務：（1） 設計單片機外圍電路及步進電機驅(qū)動電路，驅(qū)動云臺步進電機運行。（2） 使用鍵盤輸入控制云臺步進電機。（3） pc使用rs485總線遠距離控制云臺步進電機。（4） 使用keil uvision2編寫軟件，在pro

11、teus軟件中完成仿真。第2章 云臺2.1 云臺概述攝像機云臺是一種安裝在攝像機支撐物上的工作平臺，用于攝像機與支撐物之間的連接，同時它具有水平和垂直運動的功能，在云臺水平、垂直運動的同時，它也帶動攝像機做相同的運動，這樣就能通過控制云臺的運動來控制攝像機的運動，它與攝像機配套使用能達到擴大監(jiān)視范圍的目的，提高了攝像機的使用價值。云臺的核心器件是步進電機，所以本設計的重點就是如何靈活的控制步進電機的運轉(zhuǎn)，從而達到靈活的控制攝像機的目的。云臺可以按照運動功能、工作電壓、承載重量、安裝方式、使用環(huán)境等分類。2.1.1 云臺內(nèi)部結構全方位云臺內(nèi)部有兩個電機，分別負責云臺的上下和左右各方向的轉(zhuǎn)動。其工

12、作電壓的不同業(yè)決定了該云臺的整體工作電壓，一般有交流24v、交流220v、及直流24v。當接到上下動作電壓時，垂直電機轉(zhuǎn)動，接到左右動作電壓時，水平電機轉(zhuǎn)動。需要說明的是云臺都有水平、垂直的限位拴，云臺分別由兩個微動開關實現(xiàn)限位功能。當轉(zhuǎn)動角度達到預先設定的限位時，微動開關動作切斷電源，云臺停止轉(zhuǎn)動。限位裝置可以位于云臺外部，調(diào)整過程簡單，也可以位于云臺內(nèi)部，通過外設的調(diào)整機構進行調(diào)整，調(diào)整過程相對復雜。但外置限位裝置的云臺密封性不如內(nèi)置限位裝置的云臺。室外云臺與室內(nèi)云臺大體一致，只是由于室外防護罩重量較大，使云臺的載重能力必須加大。同時，室外環(huán)境的冷熱變化大，易遭到雨水或潮濕的侵蝕。因此室外

13、云臺一般都沒有設計成密封防雨型。另外室外云臺還具有高轉(zhuǎn)矩和扼流保護電路以防止云臺凍結時強行啟動而燒毀電機。在低溫的惡劣條件下還可以在云臺內(nèi)部加裝溫控型加熱器。2.1.2云臺的性能指標（一） 云臺的轉(zhuǎn)動速度云臺的轉(zhuǎn)動速度衡量云臺檔次高低的重要指標。云臺水平和垂直方向是由兩個步進電機驅(qū)動的，因此云臺的轉(zhuǎn)動速度也分為水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速。由于載重的原因，垂直電機在啟動和運行保持時的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上實際監(jiān)控時對水平轉(zhuǎn)速的要求要高于垂直轉(zhuǎn)速，因此一般來說云臺的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。直流型云臺大都采用的是直流步進電機，具有轉(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點，十分適合需要快速捕捉目標的場合。直流型云臺都具有

14、變速功能，提供的電壓是直流0至36v之間的變化電壓。變速的效果由控制系統(tǒng)和解碼器的性能決定，以使云臺電機根據(jù)輸入的電壓大小做相應速度的轉(zhuǎn)動。（二） 云臺的轉(zhuǎn)動角度云臺的轉(zhuǎn)動角度尤其是垂直轉(zhuǎn)動角度與負載（防護罩/攝像機/鏡頭總成）安裝方式有很大關系。云臺的水平轉(zhuǎn)動角度一般都能達到355，因為限位拴會占用一定的角度，但是出現(xiàn)少許的監(jiān)控死角。當前的云臺都改進了限位裝置使其可以達到360甚至365（有5的覆蓋角度），以消除監(jiān)控死角。使用時可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行限位設置。例如安裝在墻壁上的壁裝式，即使云臺具有365的轉(zhuǎn)動角度，實際上只需要監(jiān)視云臺正面的180角度，即使轉(zhuǎn)動到后面的180也只能看到墻壁

15、，沒有實際監(jiān)控意義，因此壁裝式只需要監(jiān)視水平的180的范圍即可，角裝式只需監(jiān)視270即可。這樣避免云臺過多地轉(zhuǎn)動到無需監(jiān)控的位置，也提供了云臺的使用效率。頂裝式云臺的垂直轉(zhuǎn)動角度一般為+30至-90，側(cè)裝的垂直轉(zhuǎn)動角度可以達到180，不過正常使用垂直轉(zhuǎn)動角度再+20至-90即可。（三） 云臺的載重量云臺的最大負載是指垂直方向承受的最大負載能力。攝像機的重心（包括防護罩）到云臺工作面距離為50mm，該重心必須通過云臺回轉(zhuǎn)中心，并且與云臺工作面垂直，這個中心即為云臺的最大負載點，云臺的承載能力是以此點作為設計計算的基準。如果負載位置安裝不當，重心偏離回轉(zhuǎn)中心，增大了負載力矩，實際的載重量將小于最大

16、負載量的設計值。因此云臺垂直轉(zhuǎn)動角度越大，重心偏離也越大，相應的承載重量就越小。云臺的載重量是選用云臺的關鍵，如果云臺載重量小于實際負載重量不僅會使操作功能下降，而且云臺電機、齒輪也會因為長時間超負荷而損壞。云臺的實際載重量可以從3kg到50kg不等，同一系列的云臺產(chǎn)品，側(cè)裝時的承載能力要大于頂撞，高速型的承載能力要小于普通型。（四） 云臺使用環(huán)境指標室內(nèi)使用的云臺的要求不高，云臺的使用環(huán)境的各項指標主要針對室外使用的云臺。其中包括使用環(huán)境溫度限制、濕度限制、防塵防水的ip防護等級。一般室外環(huán)境使用的云臺溫度范圍為-20至+60，如果使用在更低溫度環(huán)境下，可以在云臺內(nèi)部加裝溫控型加熱器。濕度指

17、標一般為95%不凝結。防塵防水的ip等級應達到ip66以上。ip 防護等級的高低反映了設備的密封程度，主要指防塵和液體的侵入。另外在實際使用中應根據(jù)環(huán)境選擇使用相適合的材料和防護層，如鐵質(zhì)外殼不適合使用在潮濕和具有腐蝕性的環(huán)境中。2.1.3云臺電機電機是電動云臺中非常重要的元器件之一，選用是否正確將直接影響電動云臺的性能與價格。全方位電動云臺需要兩個不同方位的旋轉(zhuǎn)自由度，所以都具有兩個相互獨立的傳動機構。電動云臺的傳動機構主要是由蝸輪、蝸桿和齒輪組合而成，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速，確定總傳動比，然后依據(jù)傳動裝置的總體布置，將傳動比合理地分配到各級傳動中去。合理分配傳動比是設計傳動機構的一個重要環(huán)節(jié)，它將直

18、接影響到傳動裝置的外形尺寸、重量、潤滑條件和減速齒輪的中心距等。各級傳動比分配的一般原則是:使各級傳動的承載能力接近相等;使減速機構能獲得最小的外形尺寸、重量;使傳動零件的圓周速度降低。另外，選用微型變速箱的齒輪傳動，也可以減小體積、提高效率、減小噪聲。確定電動云臺的最大負載，然后選用合適的電機。盡可能選用低壓電機。由于全方位電動云臺是由垂直和水平兩部分獨立的傳動機構組的，而垂直方向的傳動機構是主要承載機構，所以在設計時是以垂直方向的傳動機構作為主要承載機構來設計，而水平方向的傳動機構只受水平磨擦轉(zhuǎn)矩和電纜拖帶等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響。根據(jù)設計經(jīng)驗，水平方向所選用的電機功率一般為垂直方向的一半。2.

19、2 步進電機在工業(yè)控制系統(tǒng)中，通常要控制機械部件的平移和轉(zhuǎn)動，這些機械部件的驅(qū)動大多都采用交流電機、直流電機、和步進電機。在中三種電機中，步進電機最適合數(shù)字控制。本設計中單片機作為數(shù)字控制器件，因此在本系統(tǒng)中毫無疑問的選擇了步進電機。如何運用步進電機無疑是單片機云臺控制系統(tǒng)中的重點。因此需要詳細的了解步進電機。2.2.1步進電機的工作原理步進電機是數(shù)字控制電機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，實質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確

20、定位的目的。步進電機的轉(zhuǎn)子為多級分布，轉(zhuǎn)子上嵌有多相星型連接的控制繞組，由專門電源輸入脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。步進電機分三種：永磁式（pm） ，反應式（vr）和混合式（hb）。永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大；混合式步進是混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入

21、脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定。該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖2-1是四個開關信號控制四相反應式步進電機工作原理示意圖。 開始時，開關sb接通電源，sa、sc、sd斷開，b相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和c、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和d、a相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關sc接通電源，sb、sa、sd斷開時，由于c相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和c相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和a、b相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和a、d相繞組磁極

22、產(chǎn)生錯齒。依次類推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動。 圖2-1 四相步進電機步進示意圖四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2-2 a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍 圖2-2步進電機工作時序波形圖步進電機的驅(qū)動電路依據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生，完成以下三種功能： 控制換相順序 通電換向這

23、一過程稱為脈沖分配。對于四相步進電機而言，其各相通電順序如圖2.4所示，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制a、b、c、d、 、 、相的通斷。 控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果按給定方向的正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，步進電機反轉(zhuǎn)。 控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)送一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)送一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。2.2.2 步進電機主要技術指標選擇步進電機需要根據(jù)實際需要和技術指標綜合考慮。步進電機只有在滿足額定的工作條件下，才可以正常工作。主要技術指標有：（1）工作電壓：即步

24、進電機工作所需要的工作電壓。繞組電流：只有繞組有電流時，才能建立磁場，且不同相上電流的有無決定步進電機的步進。不同的步進電機，其額定繞組電流也不一樣。功率小的有幾百毫安，功率大的以安培計。步進電機工作時，應使其工作在此電流下。（2） 轉(zhuǎn)動力矩：轉(zhuǎn)動力矩是指在額定條件下（電壓、電流），步進電機的軸上所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，單位通常為牛頓每厘米(n/cm)。轉(zhuǎn)動力矩會隨轉(zhuǎn)動的升高而下降，當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高反向電動勢越大，在它的作用下，電機隨頻率或速度的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。（3）保持轉(zhuǎn)矩：保持轉(zhuǎn)矩是指步進電機通電但是沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力

25、矩。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩歲轉(zhuǎn)速增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機的重要參數(shù)。（4）步進角：步進電機每走一步實際上就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個角度。不同的電機，每步轉(zhuǎn)動的角度不一樣。小的有0.5度每步、1.5度每步，大的到15度每步。在應用中可根據(jù)用戶的需求選用。（5）精度：一般步進電機的進度為步進角的35%，且不積累。采用細分技術可以提高電機的運轉(zhuǎn)精度。細分技術實質(zhì)上是一種電子阻尼技術，起主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術的一個附帶功能。（6）工作頻率：即步進電機每秒鐘走的額定步數(shù)。由于步

26、進電機的走步實際上是轉(zhuǎn)子的機械運動，不可能很快。例如，有的工作頻率為500hz，就意味著每走一步需要2ms。目前頻率高的可達10khz。但是總的來說步進電機的速度是十分慢的。（7）空載啟動頻率：即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟失或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要是電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速到高速）。（8）激勵方式：以四相電機為例，驅(qū)動它的激勵方式有1相、2相、1-2相三種。1相激勵方式是指每一時刻4相中只有一相導通，步進電機以此工作方式工

27、作時，溫升較高，電源功率功耗小，但是當速度較高時容易產(chǎn)生失步；2相激勵方式是指每一時刻4相中都有兩相導通，然后按4相的順序循環(huán)；1-2相激勵方式是指驅(qū)動時一相導通和兩相導通交替出現(xiàn)的。（9）外表溫度：步進電機溫度過高會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點。第3章 總體方案3.1云臺控制系統(tǒng)簡析云臺在任意位置，按下啟動按鈕，云臺將依次完成向上左行向下右行四個動作，逆時針方向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)云臺一個周期的動作。在轉(zhuǎn)動的同時還可以手動控制云臺。為了限制云臺轉(zhuǎn)動的范圍，云臺的向上、左轉(zhuǎn)、向下和右轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換靠限位開關來控制。本設計主要是設計云

28、臺的轉(zhuǎn)動，并能按一定的要求動作。起動時，云臺從原點開始按順序動作，停止時，云臺停在現(xiàn)行位置上，重新起動時，云臺按停止前的動作繼續(xù)進行。為滿足控制要求，云臺轉(zhuǎn)動設置手動方式和自動工作方式兩種。 （1）手動工作方式。利用按鈕對云臺的每一步進行單獨控制，例如，按“向下”按鈕，云臺使攝像頭向下；按“向右”按鈕，云臺使攝像頭向右。（2）連續(xù)工作方式。云臺在原位時，按下“自動”按鈕，云臺自動連續(xù)的執(zhí)行周期動作。當按下停止按鈕式，云臺保持當前狀態(tài)，重新恢復后云臺按停止前的動作繼續(xù)進行工作。3.2控制系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)云臺的結構和工作特點，其執(zhí)行機構是步進電機，同時系統(tǒng)與上位機需要進行信息交換，本設計選用單片機系統(tǒng)

29、來進行實現(xiàn)。由于單片機的種類很多，在選擇單片機是要依據(jù)實際設計要求選擇合適的單片機，在本系統(tǒng)設計中，選用了atmel公司生成的at89c52型號單片機。云臺運行有自動運行和手動運行模式，同時受上位機控制，所以該系統(tǒng)由單片機控制模塊、鍵盤模塊、電機驅(qū)動模塊、遠程控制模塊等構成?？刂葡到y(tǒng)具體的結構示意圖如圖3-1所示。此系統(tǒng)的硬件由at89c52單片機、鍵盤、pc機、uln2003a、步進電機組成。整體結構如圖3-1所示。本系統(tǒng)的總體設計思路：鍵盤或pc輸入信息，單片機接收后對輸入信息進行處理，然后發(fā)出控制信號送uln2003a,uln2003a驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。單片機控制模塊是本設計的核心。它的

30、工作包括處理鍵盤輸入、響應pc串口中斷、控制電機運行等。鍵盤模塊完成的是控制信息的輸入功能。在本系統(tǒng)中采用了獨立式鍵盤，而不采用矩陣鍵盤，這樣可以簡化軟硬件設計，而且能夠滿足系統(tǒng)要求。電機驅(qū)動模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機構，用于控制監(jiān)控攝像機的運動。本系統(tǒng)中對云臺電機的轉(zhuǎn)速沒有要求，所以在本系統(tǒng)中沒有啟用步進電機專用的驅(qū)動器，這樣不僅可以節(jié)約成本，而且可以減少工作量。單片機產(chǎn)生步進電機工作所需脈沖信號，脈沖信號通過一級功率放大電路后再送給步進電機，這樣實現(xiàn)電機的控制。遠程控制模塊是為了能夠?qū)崿F(xiàn)在微機操作室就能控制現(xiàn)場單片機，以控制步進電機。它是通過rs485總線實現(xiàn)的，pc將信息從串口發(fā)出，通過rs4

31、85總線將信息傳送到現(xiàn)場的單片機，單片機通過處理得到pc控制指令，發(fā)出控制信息控制步進電機運行。pcrs485外圍器件at89c52鍵盤uln2003a步進電機 圖3-1 系統(tǒng)框圖第4章 系統(tǒng)硬件設計4.1 at89c52單片機簡介單片機是將中央處理器，隨機存儲器，只讀存儲器，定時器芯片和i/o接口電路集成于一個芯片上的微控制器。atmel公司的89c52單片機，是增強型risc內(nèi)載flash的單片機，在芯片上的flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時編程，在線編程，使用戶的產(chǎn)品設計容易，更新?lián)Q代方便。89c52單片機采用增強的risc結構，使其具有高速處理能力，在一個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復雜的指

32、令，每mhz可實現(xiàn)1mips的處理能力。89c52單片機工作電壓為2.76.0v，可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。89c52的單片機廣泛應用于計算機外部設備，工業(yè)實時控制，儀器儀表，通訊設備，家用電器，宇航設備等各個領域。4.1.1 at89c52at89c52是一個低電壓、高性能coms 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器（rom）和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(ram),器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大的at89c52單片機可為你提供許多復雜較系統(tǒng)控

33、制應用場合。at89c52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，at89c52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(s系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。at89c52有pdip、pqfp/tqfp及plcc等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。圖4-1所示為dip封裝引腳圖。 圖4-1 at89c52 dip封裝引腳圖4.1.2 at89c52各引腳功能at89c52為40 腳雙列直插封裝的8

34、位通用微處理器，采用工業(yè)標準的c51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主ic 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)ram及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號ir的接收解碼及與主板cpu通信等。主要管腳有：xtal1（19 腳）和xtal2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接11.0592mhz 晶振。rst（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。vcc（40 腳）和vss（20 腳）為供電端口，分別接+5v電源的正負端。p0p3 為可編程通用i/o 腳，其功能用途由軟件定義。 vcc(40腳):接

35、+5v電壓。 gnd（20腳）：接信號地。 rst(9腳): 復位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ale/（30腳）：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ale 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 （29腳）：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89s52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次psen信號。 /vpp（31腳）：外

36、部訪問允許。欲使cpu 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），ea 端必須保持低電平（接地）。 xtal1（19腳）：接外部晶振的一個引腳，且為輸入端。 xtal2（18腳）：接外部晶振的另一個引腳，該引腳接地。 p0口（3932腳）:雙向8位三態(tài)i/o口，在外接存儲器時，與地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線復用。p0可以驅(qū)動8個ls ttl負載。 p1口（18腳）：具有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o口，該接口輸出不包含高阻態(tài)，輸出不能鎖存?？梢则?qū)動4個ls ttl負載。 p2口（2128腳）：具有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，作為高8位地址總線?？梢则?qū)動4個ls

37、ttl負載。 p3口（1017腳）：具有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o口，p3口的8個引腳還用于專門的功能復用雙功能口。它可以驅(qū)動4個ls ttl負載。它作為第二功能使用時，其各個引腳的功能如下： p3.0(10腳)rxd:串行口接收端 p3.1(11腳)txd：串行口發(fā)送端 p3.2(12腳)：外部中斷0 p3.3(13腳)：外部中斷1 p3.4(14腳)t0：定時/計數(shù)器0 p3.6(16腳) ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號p3.7(17腳) ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號特殊功能寄存器： （1） 單片機內(nèi)含有兩個16位定時/計數(shù)器t0、t1。它們各自由兩個獨立的8位寄存器組成，分別為th0、tl

38、0、th1、tl1,。 （2） tmod用于控制定時/計數(shù)器的工作方式及4種工作模式，其中低4位為定時器t0的方式控制字，高4位為定時器t1的方式控制字。它的字節(jié)地址為89h。其各位的定義如下：gatec/tm1m0gatec/tm1mo gate是選通門，當gate=1時，只有int0或int1引腳為高電平且tr0或tr1置1時，相應的定時/計數(shù)器才被選通工作。c/t是計數(shù)器/定時器方式選擇位。mo和m1是操作模式選擇位。 1；tcon寄存器的高四位為定時/計數(shù)器t0、t1的控制寄存器和定時/計數(shù)溢出中斷標志。 2；ie寄存器用于開放或屏蔽單片機各個中斷。 3；scon寄存器用于設置串口的工

39、作方式和查詢接收、發(fā)送中斷產(chǎn)生標志。4；sbuf串行數(shù)據(jù)緩沖器用于存放串口中預發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨立的寄存器構成，一個發(fā)送緩沖器，一個接收緩沖器，他們公用一個地址。當從sbuf取數(shù)據(jù)時，訪問接收緩沖器，當寫數(shù)據(jù)時，訪問發(fā)送緩沖器。4.1.3 at89c52串口通信單片機系統(tǒng)設計中，經(jīng)常需要使用串口與外部進行通信，因此，串口通信部分是單片機功能模塊中極為重要的一部分。串口通信時通過串口來進行的，串口不同于并口，它的數(shù)據(jù)和控制信息是一位接一位串行地傳送下去。與并口相比，雖然速度慢，但是傳送距離較并口會更長，因此常用于需要常距離通信而對速度又要求不高的場合。異步通信以幀的形式發(fā)送字符數(shù)據(jù)，每

40、一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位構成。異步通信中，每傳輸一個字節(jié)就要使用起始位和停止位，因此傳輸速度有限，常用于低速場合。同步通信使用數(shù)據(jù)塊傳送信息，而不是字節(jié)，省去了每個字節(jié)的起始位和停止位等數(shù)據(jù)，提高了通信的速率。同步通信的每個數(shù)據(jù)塊的開始使用同步字符，使接受和發(fā)送同步。與異步通信相比，同步通信發(fā)送的數(shù)據(jù)量大、速度快，常用于傳輸速率要求較高的場合。at89c52內(nèi)部的串口是一個標準的全雙工串口，支持四種工作方式。波特率是可變的，可由軟件設置。對89c52串口的訪問和設置是通過訪問其相關的特殊寄存器進行的，與89c52串口相關的特殊寄存器共有3個：scon、pcon和sbuf。串

41、口控制寄存器scon 串口控制寄存器scon只要用于設置串口的工作模式和串口中斷的查詢。其格式如下：d7d6d5d4d3d2d1d0sm0sm1sm2rentb8rb8tiri sm0、sm1：用于設置串口的工作方式。sm2：串口多機通信控制位。 ren：允許串行接收控制。將其置為1時允許接收。 tb8： 用于設置串口工作方式2和方式3情況下要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，有軟件置位或復位。 rb8： 用于保存串口工作方式2和方式3情況下要接收到的第9位數(shù)據(jù)。 ti： 串口中斷發(fā)送標志。當串口數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時置位ti，同時向cpu發(fā)送串口中斷請求。 ri： 串口中斷接收標志。當串口數(shù)據(jù)接收到一個數(shù)據(jù)時置位t

42、i，同時向cpu發(fā)送串口中斷請求。 特殊功能寄存器pcon 特殊功能寄存器pcon僅有最高位與串口有關，smod，波特率選擇位，smod的設置可以影響波特率設置的精度。 發(fā)送/接收緩沖器sbuf串口中的發(fā)送/接收緩沖器sbuf實際上共有兩個，分別為發(fā)送緩沖器和接收緩沖器，他們在物理上是完全獨立的，因此可以同時進行發(fā)送和接收。兩個緩沖器公用一個內(nèi)存地址99h。4.1.4 at89c52中斷系統(tǒng)程序在執(zhí)行過程中，允許外部或內(nèi)部事件通過硬件中斷程序的執(zhí)行，使其轉(zhuǎn)向出來外部或內(nèi)部事件的中斷服務中去，完成中斷服務程序后，cpu繼續(xù)與原來被中斷的程序，這樣的過程稱為中斷過程。能產(chǎn)生中斷的外部或內(nèi)部事件叫中

43、斷源。 1.中斷源 80c52有6個中斷源，它們是： int0:外部中斷0.當it0(tcon.0)=0時，低電平有效； it0(tcon.0)=1時，下降沿有效。 int1:外部中斷1.當it1(tcon.2)=0時，低電平有效； it1(tcon.2)=1時，下降沿有效。 tf0:定時/計數(shù)器t0益處中斷。 tf1:定時/計數(shù)器t1益處中斷。 tf3:定時/計數(shù)器t2益處中斷。rx,tx:串行中斷。 2.中斷相關寄存器ie和ip51單片機有兩種中斷優(yōu)先級，其中每一個中斷源的優(yōu)先級都可以有程序設定。中斷源的中斷要求能否得到響應，受允許中斷寄存器ie中各位的控制。它們的優(yōu)先級由中斷優(yōu)先級寄存器

44、ip的各位確定，同一優(yōu)先級內(nèi)的各中斷源同時要求中斷時，以內(nèi)部的查詢邏輯來確定響應次序。允許中斷寄存器ie的各位定義如下： msb lsb ea et2 es et1 ex1 et0 ex0 ea 是總中斷允位。ea=0時，禁止所有中斷；ea=1時，則每個中 斷源被允許還是被禁止，由各自的允許位確定； et2：是定時器2中斷允許位。et2=0,禁止定時器2中斷；es：是串行口中斷允許位。es=0，禁止串行口中斷；et1：是定時器1中斷允許位； ex1：是外部中斷1允許位；et0： 是定時器0中斷允許位；ex0： 是外部中斷0允許位。 中斷優(yōu)先級寄存器ip的各位定義如下：msblsb pt2psp

45、t1px1pt0px0 pt2： 是定時器2中斷優(yōu)先級設定位； ps：是串行口中斷優(yōu)先級設定位； pt1：是定時器1中斷優(yōu)先級設定位； px1：是外部中斷1優(yōu)先級設定位； pt0：是定時器0中斷優(yōu)先級設定位； px0：是外部中斷0優(yōu)先級設定位。4.2 單片機系統(tǒng) 本設計的所用的單片機系統(tǒng)其實就是單片機最小系統(tǒng)，所謂最小系統(tǒng)就是能是單片機正常工作的最少配置。本此設計的單片機系統(tǒng)由at89c52單片機、復位電路、時鐘電路和電源電路組成，如圖4-2所示。 圖4-2 單片機最小系統(tǒng)4.2.1 復位電路 復位操作完成單片機片內(nèi)電路的初始化，是單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。當單片機的復位引腳ret出現(xiàn)5

46、ms以上的高電平時，單片機就完成了復位操作。復位操作通常有2中基本形式：上電復位、開關復位。常用的上電且開關復位電路如圖4-2中所示。上電后，由于電容充電，使ret持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行中時，按下復位鍵也能使ret持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關復位的操作。4.2.2 時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機內(nèi)各種操作的時間基準。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器，振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，所以在本設計中就是采用內(nèi)部振蕩方式。晶振選用11.0592mhz。內(nèi)部振蕩方式如圖4-2中所示。4.2.

47、3 電源電路電源設計部分如圖4-3所示。因為單片機需要的是5v的電源，而輸入的是9-12v的電源，所以需要這個穩(wěn)壓電路把9-12v穩(wěn)壓到5v，電源電路設計為采用7805線性穩(wěn)壓，圖中電容是起到濾波的作用，一個發(fā)光二極管作電源指示燈。 圖4-3 電源原理圖 4.3 uln2003a驅(qū)動電路該器件為步進電機的驅(qū)動，本設計使用兩臺相同的步進電機，所以其驅(qū)動電路也完全一樣。驅(qū)動電路如圖4-4所示。uln2003a是高壓大電流達林頓晶體管陣列集成電路，內(nèi)部由七個硅npn 達林頓管組成，uln2003的每一對達林頓串聯(lián)一個2.7k 的基極電阻,在5v 的工作電壓下它能與ttl 和cmos 電路直接相連，可

48、以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500ma，并且能夠在關態(tài)時承受50v 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。uln2003a采用dip-16或sop-16塑料封裝，如圖4-5所示。 圖4-4 uln2003a驅(qū)動電路圖4-5 uln2003a方框圖 uln2003a內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,npn晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50v,電流=500ma,輸入電壓=5v,適用于ttl coms,由達林頓管組成驅(qū)動電路。uln是集成達林頓管ic,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,

49、它的輸出端允許通過電流為200ma，飽和壓降vce 約1v左右，耐壓bvceo 約為36v。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動uln2003時，上拉2k的電阻較為合適，同時，com引腳應該懸空或接電源。uln2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達350ma，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在vcc與16腳之間，不用9腳。uln2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、plc、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入5vtt

50、l電平，輸出可達500ma/50v。uln2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅npn達林頓管組成。該電路的特點如下: uln2003a的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7k的基極電阻,在5v的工作電壓下它能與ttl和cmos電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。uln2003a 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，使用于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。4.4 rs485總線設計pc機使用rs-485總線控制單片機串口通信。它與傳統(tǒng)的rs-232接口標準相比，其在通信速率、傳輸距離、抗干擾能力有了很大的提高，本設計考慮到

51、遠距離控制，所以采用rs-485總線。該部分的設計有兩部分：pc機rs-232/rs-485電平轉(zhuǎn)換電路和rs-485通信接口電路。4.4.1 rs-232/rs-485電平轉(zhuǎn)換電路pc機只配備了標準的rs-232串口，因此還必須加上rs-232和rs-485轉(zhuǎn)換電路，才能實現(xiàn)通信。rs232c與rs485 轉(zhuǎn)換電路設計選用sn75lbc184芯片。圖4-6所示為sn75lbc184芯片邏輯功能圖。 圖4-6 sn75lbc184邏輯功能圖sn75lbc184 是美國ti公司生產(chǎn)的一種rs485接口芯片,可在總線上連接64 個收發(fā)器。其工作原理如圖1所示。發(fā)送使能端de為高電平,sn75lbc

52、184作為發(fā)送器,數(shù)據(jù)從第4腳輸入,第6、7腳輸出,其中7腳輸出信號的非;接收使能re為高電平, sn75lbc184作為接收器,信號從6腳或7腳輸入, 1腳輸出 。利用sn75lbc184設計的rs232c與rs485轉(zhuǎn)換電路如圖4-7所示。選用pc 機的com2 接口,但com2的9個端口只使用其中的rts、rxd、txd與gnd四個端口, 以構成簡易的四線通信線路。該電路使用了三片光電耦合器tlp521-1進行隔離, 這使pc機與sn75lbc184之間完全沒有了電的聯(lián)系,從而提高了工作的可靠性。當 圖4-7 rs-232/rs-485電平轉(zhuǎn)換電路rs232的rts端為邏輯電平1(-12

53、v)時,光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導通,輸出端為ttl邏輯電平1(+5v),此時選中rs485的de端允許rs485接收, 這樣, rs232的txd端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)(工作邏輯與rts端相似)。當rs232的rts端為邏輯電平0(+12v)時,光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導通,輸出端為ttl邏輯電平0(0v) ,此時選中rs485的re端允許rs485發(fā)送。當rs485的r端的輸出為邏輯電平1時,光電耦合器發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導通,這樣,在rs232輸出停止時,其txd電平為-12v,電容被充電到-12v以使其輸出也變成-12v,即邏輯電平1;當其輸出為邏輯

54、電平0時,光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導通,這時,其輸出為+ 5 v,也在rs232邏輯電平0的范圍之內(nèi),即為邏輯電平0。4.4.2 rs-485終端單片機接口電路 由于單片機的邏輯電平一般規(guī)定為ttl電平，所以單片機與sn75lbc184的連接電路就較簡單一些，如圖4-8所示。at89c52的p3.0、p3.1引腳分別與sn75lbc184的r、d引腳相連，這樣，當單片機有關串行數(shù)據(jù)的操作包括數(shù)據(jù)輸入和輸出都能可以由這三個引腳完成。當然在上位機向下發(fā)送數(shù)據(jù)時，對于分布式系統(tǒng)當中的每個單片機系統(tǒng)的接受，應該遵從一定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以便上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)能有效地被分布，單片機系統(tǒng)能可靠的接

55、受，同時單片機系統(tǒng)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)同樣也可以應該可靠的被上位機接收到。 圖4-8 rs-485通信接口電路 4.5 鍵盤鍵盤是由若干個按鍵組成的，是向系統(tǒng)提供操作人員的干預命令及數(shù)據(jù)的接口設備。在單片機應用系統(tǒng)中，為了控制系統(tǒng)的狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)時，鍵盤是不可缺少的輸入設備，它是實現(xiàn)人機對話的紐帶。 鍵盤按其結構形式可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種方式。編碼鍵盤通過硬件的方法產(chǎn)生鍵碼，它具有接口簡單，響應速度快，但需要專用的硬件電路。非編碼鍵盤是通過軟件的方法產(chǎn)生鍵碼，它不需專用的硬件電路，結構簡單，成本低廉，但響應速度不如編碼鍵盤。在本設計中，由于按鍵的數(shù)目少，單片機i/o口資源充裕，所以采用編碼鍵盤。鍵盤是由按鍵構成的，鍵的閉合與否通常用高、低電平來進行檢測。鍵閉合時，該鍵為高電平；鍵斷開時，該鍵為低電平。鍵的閉合與斷開都是利用