【正文】 二維云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)論文緒 論安全監(jiān)控是隨著人們生活生產(chǎn)需求應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)安全技術(shù)，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(dòng)控制部件，在整個(gè)系統(tǒng)中起到非常重要的作用。攝像機(jī)云臺是一種安裝在攝像機(jī)支撐物上的工作平臺，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)，這樣就可以通過控制云臺的運(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。云臺分為固定云臺和電動(dòng)云臺，固定云臺適用于監(jiān)視范圍不大的情況，在固定云臺上安裝好攝像機(jī)后可調(diào)整攝像機(jī)的水平和俯仰的角度，達(dá)到最好的工作姿態(tài)后只要鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)就可以了。電動(dòng)云臺適用于對大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，它可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。目前這兩類云臺廣泛應(yīng)用于各種場所，固定云臺適用于小范圍的監(jiān)視；電動(dòng)云臺適用于對大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，它可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。電動(dòng)云臺是由兩臺執(zhí)行電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)接受來自控制器的信號精確地運(yùn)行定位。在控制信號的作用下，云臺上的攝像機(jī)既可自動(dòng)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(jìn)電機(jī)作為云臺的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，它給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了相當(dāng)大的保障。云臺系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用到了生活的幾乎每一個(gè)場所，當(dāng)需要對某個(gè)地方進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，就可以很方便的運(yùn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，這一點(diǎn)在生活中是及其有利的，它很大程度上節(jié)約了時(shí)間。目前市面上所生產(chǎn)的云臺控制器，大都采用一體化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法具有密封性能好、集成度高便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線直播、公安、教育等許多領(lǐng)域都需要用到計(jì)算機(jī)控制云臺動(dòng)作及攝像機(jī)鏡頭的焦距、景深、光圈。云臺是一種設(shè)備，專門用于監(jiān)控時(shí)調(diào)整攝像頭位置。攝像頭安裝于云臺之上，通過開關(guān)電源，就可實(shí)現(xiàn)攝像頭在垂直方向進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)、水平方向進(jìn)行擺動(dòng)，從而調(diào)整監(jiān)視位置。云臺鏡頭控制系統(tǒng)除了控制攝像頭的俯仰和水平運(yùn)動(dòng)控制外，通常還要控制電子鏡頭（安裝于攝像頭前端、電機(jī)控制的光學(xué)鏡頭）的聚焦、光圈和變倍等，以便調(diào)整視野范圍和清晰度。能夠很好的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確定位。本次設(shè)計(jì)注重對單片機(jī)工作原理以及鍵盤控制及顯示原理的理解和應(yīng)用，以便今后自己在單片機(jī)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和開發(fā)打下基礎(chǔ)，提高自己的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，豐富自己的理論知識，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合。本次設(shè)計(jì)的重要意義還在于對單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)做更進(jìn)一步的了解，同時(shí)還對單片機(jī)的接口技術(shù)，中斷技術(shù)，存儲(chǔ)方式和控制方式作更深層次的了解。此次設(shè)計(jì)更進(jìn)一步了解基本電路的設(shè)計(jì)流程，提高自己的設(shè)計(jì)理念，豐富自己的理論知識，鞏固所學(xué)知識，使自己的動(dòng)手動(dòng)腦能力有更進(jìn)一步提高，為自己今后的學(xué)習(xí)和工作打好基礎(chǔ)，為自己的專業(yè)技能打好基礎(chǔ)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想本次所設(shè)計(jì)的云臺控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，能完成垂直方向的移動(dòng)和水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到對目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤和精確定位。本設(shè)計(jì)中我們用at89s52單片機(jī)進(jìn)行控制，通過鍵盤可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)云臺控制，使其做垂直方向的上下移動(dòng)60cm和水平方向的左右轉(zhuǎn)動(dòng)60度；通過按鍵實(shí)現(xiàn)云臺自動(dòng)和手動(dòng)控制的切換，當(dāng)切換到自動(dòng)檔時(shí)，能使云臺自動(dòng)跟蹤某一可見光源（40W燈泡），用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。根據(jù)設(shè)計(jì)的思想，所畫的系統(tǒng)總體框圖如下所示：圖一 系統(tǒng)整體框圖主控芯片為AT89S52，采用4*4鍵盤，其上不同的按鍵代表不同的功能；采用紅外進(jìn)行光源檢測，采用LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示，用LM297和LM298集成芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，采用L7805CV和L7812CV芯片作為三端集成線性穩(wěn)壓電源。該云臺有兩個(gè)電機(jī)（一大一?。謩e負(fù)責(zé)云臺的上下和左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。其工作電壓的不同也決定了該云臺的整體工作電壓，我們使用了直流5V和直流12V。當(dāng)進(jìn)行上、下動(dòng)作時(shí)，大的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)滑輪帶動(dòng)云臺垂直動(dòng)作；當(dāng)進(jìn)行左、右動(dòng)作時(shí)，小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)云臺底部滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的提出本設(shè)計(jì)是基于AT89S52單片機(jī)的鍵盤控制及顯示電路設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能上看，系統(tǒng)可分為四大部分，即數(shù)字顯示部分、控制移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)部分、電源部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，對于每一個(gè)部分都有不同的設(shè)計(jì)方案，起初我們組擬訂了下面兩種方案：(1) 采用LED 數(shù)碼管顯示，利用多個(gè)數(shù)碼管來顯示數(shù)字。（2）LCD液晶屏顯示。（1）用按鍵控制動(dòng)作。（2）用4*4鍵盤控制動(dòng)作。3．電源部分：(1)購買開關(guān)電源。（2）自制電源。（1）用交流電機(jī)。（2）用直流步進(jìn)電機(jī)，采用集成芯片LM298與LM297組成驅(qū)動(dòng)電路。（二） 方案比較及確定（1）若用LED數(shù)碼管顯示，LED數(shù)碼管亮度高、小巧輕便，但是電路復(fù)雜，顯示信息量較?。籐CD的優(yōu)點(diǎn)是：工作電流較小、功耗很低，而且可以清晰顯示大量信息，趣味性強(qiáng)。所以選用LCD液晶顯示。(2)對于控制移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)部分用第一種方案實(shí)現(xiàn)原理太簡單，用第二種方案使用鍵盤控制，易于控制，操作簡單、方便，故選用第二種方案。（3）購買的開關(guān)電源帶負(fù)載的能力比較好，比較穩(wěn)定，但是為了提升自己的動(dòng)手能力，我們選擇自己焊接所需的電路。（4）若用交流電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度固定，一般為水平轉(zhuǎn)動(dòng)速度為4176。/秒～6176。/秒，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3176。/秒～6176。/秒。若選用集成芯片LM298驅(qū)動(dòng)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)的場合。其水平最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40～50176。/秒，垂直可達(dá)10～24176。/秒。，：。、實(shí)用性、可行性本裝置的研制是在控制領(lǐng)域的新應(yīng)用，該云臺控制裝置，不僅能自動(dòng)或手動(dòng)的進(jìn)行上下移動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)，而且能夠?qū)Ω叨群徒嵌冗M(jìn)行任意的設(shè)置，而且能對某些信號進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的定位，并且當(dāng)超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)還具有自動(dòng)報(bào)警的功能。本裝置采用LCD液晶進(jìn)行顯示，顯示的內(nèi)容豐富。本裝置有很好的固定裝置而且價(jià)格便宜、操作簡單靈活。無論是用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，還是電視臺的在線直播，該云臺控制裝置都是不錯(cuò)的選擇。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好的滿足了各行業(yè)的需求，是一個(gè)理想的智能化的設(shè)計(jì)，還能夠?qū)π盘栠M(jìn)行跟蹤，功能較多，造價(jià)低，應(yīng)用非常廣泛。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為人們提供了方便，同時(shí)又?jǐn)U大了單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。我們利用電機(jī)拖動(dòng)和數(shù)字電路的知識設(shè)計(jì)了云臺控制裝置，該控制裝置的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用AT89S52單片機(jī)芯片作為中央處理芯片，用LM297和LM298集成芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，采用L7805CV和L7812CV芯片作為三端集成線性穩(wěn)壓電源，采用LCD進(jìn)行顯示。從理論技術(shù)上來看，本系統(tǒng)具有可行性。41第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)分為五個(gè)模塊：穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和控制模塊。分別將各單元模塊功能介紹如下：穩(wěn)壓電源模塊我們采用三端集成線性穩(wěn)壓集成塊：L7805CV和L7812CV芯片。本設(shè)計(jì)中我們所需的5V電源使用L7805CV芯片完成。因?yàn)樗耐鈬娐繁容^簡單，并且工作比較穩(wěn)定。它的穩(wěn)壓精度為2%，封裝為TO220(A)，工作溫度也很不錯(cuò)，并且具有過溫保護(hù)和短路保護(hù)，最大輸入電壓為35V，能對電路的長時(shí)間工作有很大的保障，故用其作為穩(wěn)壓芯片。所需的12V電源我們使用L7812CV芯片完成。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種重要執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由兩部分組成，一部分是數(shù)字邏輯部分，即環(huán)行脈沖分配器，它決定步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組的通電順序。 另一部分是功率放大部分，它提供步進(jìn)電機(jī)所需要的功率設(shè)計(jì)中我們采用集成芯片LM298和LM297組成驅(qū)動(dòng)電路，選用集成芯片LM298驅(qū)動(dòng)直流步進(jìn)電機(jī)，是因?yàn)槠渚哂修D(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點(diǎn)，十分適合需要快速捕捉目標(biāo)的場合。其水平最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40～50176。/秒，垂直可達(dá)10～24176。/秒。開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性極強(qiáng)，效率也非常高。該驅(qū)動(dòng)電路既可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)也可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，原理圖如下所示：圖二 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖該電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可與單片機(jī)直接連接，對兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)具有很好的驅(qū)動(dòng)和控制能力。本系統(tǒng)中，由于按鍵較多，為了減少I/O口的占用，我們采用4*4鍵盤。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口(如P1口)就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵(9鍵)。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。右圖為4*4矩陣鍵盤圖： 4*4矩陣鍵盤圖結(jié)合鍵盤矩陣圖，將各按鍵的功能列表如下：按鍵編號按鍵功能1數(shù)字12數(shù)字23數(shù)字34數(shù)字45數(shù)字56數(shù)字67數(shù)字78數(shù)字89數(shù)字90數(shù)字0/跳出＋右轉(zhuǎn)－左轉(zhuǎn)下降247。上調(diào)=復(fù)位/停止ON/C切換模式右圖是一個(gè)4*4鍵盤的接線圖：