【正文】 以達(dá)到控制攝像方向的目的；二是控制攝像機(jī)進(jìn)行變焦、聚焦、光圈調(diào)整等動(dòng)作以保證圖像的清晰?；谏鲜鰞纱蠊δ?，結(jié) 合應(yīng)用實(shí)際，利用單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云臺(tái)的準(zhǔn)確控制。 通過綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)以 AT89C52 為核心，設(shè)計(jì)一頂裝式云臺(tái)硬件控制電路，掌握單片機(jī)原理與接口技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)屬龍?jiān)O(shè)備控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)能力。 設(shè)計(jì)指標(biāo)與動(dòng)能設(shè)計(jì) 云臺(tái)的載重： 5kg～ 50kg 云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度：可以實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度 360176。無限位連續(xù)旋轉(zhuǎn)，垂直角度+30176?！?90176。 云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度： 10176。 /秒～ 150176。秒 第 3 頁(yè) 用戶能通過鍵盤設(shè)定云臺(tái)在任意兩點(diǎn)之間進(jìn)行低、中、高速水平和俯仰線掃描。 可采用主、從單片機(jī)控制方案 能由上位機(jī)通過 RS232 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程運(yùn)動(dòng)控制。 云臺(tái)運(yùn)動(dòng)有手動(dòng)工作方式和連續(xù)工作方式。 手動(dòng)方式：利用按鈕對(duì)云臺(tái)的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)控制。 連續(xù)工作方式：云臺(tái)在原位時(shí)，按下“自動(dòng)”按鈕，云臺(tái)自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行用戶設(shè)定的周期動(dòng)作進(jìn)行掃描；按下“停止”按鈕時(shí)，云臺(tái)保持當(dāng)前狀態(tài)，重新恢復(fù)后云臺(tái)按照停止前的運(yùn)動(dòng)繼續(xù)工作。 第 2 章 云臺(tái) 云臺(tái)概述 攝像機(jī)云臺(tái)是一種安裝在攝像機(jī)支撐物上的工作平臺(tái)，用于攝像機(jī)與支撐物之間的連接，同時(shí)它具有水平和垂直運(yùn)動(dòng)的功能，在云臺(tái)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，它也帶動(dòng)攝像機(jī)做相同的運(yùn)動(dòng)，這樣就能通過控制云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來控制攝像 機(jī)的運(yùn)動(dòng)，它與攝像機(jī)配套使用能達(dá)到擴(kuò)大監(jiān)視范圍的目的，提高了攝像機(jī)的使用價(jià)值。云臺(tái)的核心器件是步進(jìn)電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是如何靈活的控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到靈活的控制攝像機(jī)的目的。云臺(tái)可以按照運(yùn)動(dòng)功能、工作電壓、承載重量、安裝方式、使用環(huán)境等分類。 云臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 全方位云臺(tái)內(nèi)部有兩個(gè)電機(jī)，分別負(fù)責(zé)云臺(tái)的上下和左右各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。其工作電壓的不同業(yè)決定了該云臺(tái)的整體工作電壓，一般有交流 24V、交流 220V、及直流 24V。當(dāng)接到上下動(dòng)作電壓時(shí)，垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，接到左右動(dòng)作電壓時(shí)，水平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 需 要說明的是云臺(tái)都有水平、垂直的限位拴，云臺(tái)分別由兩個(gè)微動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)限位功能。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的限位時(shí)，微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作切斷電源，云臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。限位裝置可以位于云臺(tái)外部，調(diào)整過程簡(jiǎn)單，也可以位于云臺(tái)內(nèi)部，通過外設(shè)的調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程相對(duì)復(fù)雜。但外置限位裝置的云臺(tái)密封性不如內(nèi)置限位裝置的云臺(tái)。 室外云臺(tái)與室內(nèi)云臺(tái)大體一致，只是由于室外防護(hù)罩重量較大，使云臺(tái)的載重能力必須加大。同時(shí)，室外環(huán)境的冷熱變化大，易遭到雨水或潮濕的侵蝕。因此室外云臺(tái)一般都沒有設(shè)計(jì)成密封防雨型。另外室外云臺(tái)還具有高轉(zhuǎn)矩和扼流保護(hù)電路 以防止云臺(tái)凍結(jié)時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)而燒毀電機(jī)。在低溫的惡劣條件下還可以在云 第 4 頁(yè) 臺(tái)內(nèi)部加裝溫控型加熱器。 云臺(tái)的性能指標(biāo) （一） 云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度衡量云臺(tái)檔次高低的重要指標(biāo)。云臺(tái)水平和垂直方向是由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行保持時(shí)的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上實(shí)際監(jiān)控時(shí)對(duì)水平轉(zhuǎn)速的要求要高于垂直轉(zhuǎn)速，因此一般來說云臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。 直流型云臺(tái)大都采用的是直流步進(jìn)電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點(diǎn)，十分適合需要快速捕捉目標(biāo)的場(chǎng)合 。直流型云臺(tái)都具有變速功能，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(tái)電機(jī)根據(jù)輸入的電壓大小做相應(yīng)速度的轉(zhuǎn)動(dòng)。 （二） 云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度 云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度尤其是垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度與負(fù)載（防護(hù)罩 /攝像機(jī) /鏡頭總成）安裝方式有很大關(guān)系。云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般都能達(dá)到 355176。，因?yàn)橄尬凰?huì)占用一定的角度，但是出現(xiàn)少許的監(jiān)控死角。當(dāng)前的云臺(tái)都改進(jìn)了限位裝置使其可以達(dá)到 360176。甚至 365176。（有 5176。的覆蓋角度），以消除監(jiān)控死角。使用時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行限位設(shè)置。例如安裝在墻壁上的壁 裝式，即使云臺(tái)具有365176。的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)際上只需要監(jiān)視云臺(tái)正面的 180176。角度，即使轉(zhuǎn)動(dòng)到后面的 180176。也只能看到墻壁，沒有實(shí)際監(jiān)控意義，因此壁裝式只需要監(jiān)視水平的180176。的范圍即可，角裝式只需監(jiān)視 270176。即可。這樣避免云臺(tái)過多地轉(zhuǎn)動(dòng)到無需監(jiān)控的位置，也提供了云臺(tái)的使用效率。頂裝式云臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般為+30176。至 90176。，側(cè)裝的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以達(dá)到177。 180176。，不過正常使用垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度再 +20176。至 90176。即可。 （三） 云臺(tái)的載重量 云臺(tái)的最大負(fù)載是指垂直方向承受的最大負(fù)載能力。攝像機(jī)的重心（包括防護(hù)罩）到云臺(tái)工作面 距離為 50mm，該重心必須通過云臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，并且與云臺(tái)工作面垂直，這個(gè)中心即為云臺(tái)的最大負(fù)載點(diǎn)，云臺(tái)的承載能力是以此點(diǎn)作為設(shè)計(jì)計(jì)算的基準(zhǔn)。如果負(fù)載位置安裝不當(dāng)，重心偏離回轉(zhuǎn)中心，增大了負(fù)載力矩，實(shí)際的載重量將小于最大負(fù)載量的設(shè)計(jì)值。因此云臺(tái)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，重心偏離也越大，相應(yīng)的承載重量就越小。 云臺(tái)的載重量是選用云臺(tái)的關(guān)鍵，如果云臺(tái)載重量小于實(shí)際負(fù)載重量不僅會(huì)使操作功能下降，而且云臺(tái)電機(jī)、齒輪也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷而損壞。云臺(tái)的實(shí)際載重量可以從 3Kg 到 50Kg 不等，同一系列的云臺(tái)產(chǎn)品，側(cè)裝時(shí)的承載能力要 第 5 頁(yè) 大于 頂撞，高速型的承載能力要小于普通型。 （四） 云臺(tái)使用環(huán)境指標(biāo) 室內(nèi)使用的云臺(tái)的要求不高，云臺(tái)的使用環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)主要針對(duì)室外使用的云臺(tái)。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(hù)等級(jí)。一般室外環(huán)境使用的云臺(tái)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(tái)內(nèi)部加裝溫控型加熱器。濕度指標(biāo)一般為 95%不凝結(jié)。防塵防水的 IP等級(jí)應(yīng)達(dá)到 IP66 以上。 IP 防護(hù)等級(jí)的高低反映了設(shè)備的密封程度，主要指防塵和液體的侵入。另外在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)環(huán)境選擇使用相適合的材料和防護(hù)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。 云臺(tái)電機(jī) 電機(jī)是電動(dòng)云臺(tái)中非常重要的元器件之一，選用是否正確將直接影響電動(dòng)云臺(tái)的性能與價(jià)格。 全方位電動(dòng)云臺(tái)需要兩個(gè)不同方位的旋轉(zhuǎn)自由度，所以都具有兩個(gè)相互獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)云臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是由蝸輪、蝸桿和齒輪組合而成，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，確定總傳動(dòng)比，然后依據(jù)傳動(dòng)裝置的總體布置，將傳動(dòng)比合理地分配到各級(jí)傳動(dòng)中去。合理分配傳動(dòng)比是設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它將直接影響到傳動(dòng)裝置的外形尺寸、重量、潤(rùn)滑條件和減速齒輪的中心距等。各級(jí)傳動(dòng)比分配的一般原則是 :使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力 接近相等 。使減速機(jī)構(gòu)能獲得最小的外形尺寸、重量 。使傳動(dòng)零件的圓周速度降低。另外，選用微型變速箱的齒輪傳動(dòng)，也可以減小體積、提高效率、減小噪聲。 確定電動(dòng)云臺(tái)的最大負(fù)載，然后選用合適的電機(jī)。盡可能選用低壓電機(jī)。由于全方位電動(dòng)云臺(tái)是由垂直和水平兩部分獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組的，而垂直方向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是主要承載機(jī)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)是以垂直方向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為主要承載機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)，而水平方向的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水平方向所選用的電機(jī)功率一般為垂直方向的一半。 步進(jìn)電機(jī) 在工業(yè) 控制系統(tǒng)中，通常要控制機(jī)械部件的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，這些機(jī)械部件的驅(qū)動(dòng)大多都采用交流電機(jī)、直流電機(jī)、和步進(jìn)電機(jī)。在中三種電機(jī)中，步進(jìn)電機(jī)最適合數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)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(jìn)電機(jī)。如何運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)無疑是單片機(jī)云臺(tái)控制系統(tǒng)中的重點(diǎn)。因此需要詳細(xì)的了解步進(jìn)電機(jī)。 第 6 頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。它的旋轉(zhuǎn)是以 固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為多級(jí)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(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM） ，反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)是混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定。 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 21 是四個(gè)開關(guān)信號(hào)控制四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 開始時(shí)，開關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號(hào)齒和 C相繞組的磁極對(duì)齊。而 0、 3號(hào)齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)序與波形分別如圖 22 a、 b、c 所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍 第 7 頁(yè) 圖 22 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 步進(jìn)電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，完成以下三種功能： ◆控制換相順序 通電換向這一過程稱為脈沖分配。對(duì)于四相步進(jìn)電機(jī)而言，其各相通電順序如圖 所示，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C、 D、 A 、B C 、 D 相的通斷。 ◆控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果按給定方向的正序換相通電 ，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 ◆控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)送一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 選擇步進(jìn)電機(jī)需要根據(jù)實(shí)際需要和技術(shù)指標(biāo)綜合考慮。步進(jìn)電機(jī)只有在滿足額定的工作條件下，才可以正常工作。主要技術(shù)指標(biāo)有： （ 1）工作電壓：即步進(jìn)電機(jī)工作所需要的工作電壓。 繞組電流：只有繞組有電流時(shí)，才能建立磁場(chǎng)，且不同相上電流的有 無決定步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)。不同的步進(jìn)電機(jī)，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(jì)。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，應(yīng)使其工作在此電流下。 （ 2） 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是指在額定條件下（電壓、電流），步進(jìn)電機(jī)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(dòng)力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)動(dòng)的升高而下降，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高反向電動(dòng)勢(shì)越大，在它的作用下，電機(jī)隨頻率或速度的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 （ 3）保持轉(zhuǎn)矩：保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的重要參數(shù)。 （ 4）步進(jìn)角：步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際上就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個(gè)角度。不同的電機(jī)，每步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不一樣。小的有 度每步、 度每步，大的到 15 度每步。在應(yīng)用中可根據(jù)用戶的需求選用。 第 8 頁(yè) （ 5）精度：一般步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)度為步進(jìn)角的 3～ 5%，且不積累。采用細(xì)分技術(shù)可以提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，起主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。 （ 6）工作頻率：即步進(jìn)電機(jī)每秒鐘走的額定步數(shù)。由于步進(jìn)電機(jī)的走步實(shí)際上是轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(dá) 10KHz。但是總的來說步進(jìn)電機(jī)的速度是十分慢的。 （ 7）空載啟動(dòng)頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟失或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要是電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升 到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退俚礁咚伲? （ 8）激