CN104102233A - 一种基于单片机的云台控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的云台控制装置，包括：两步进电机，输入模块，单片机控制模块，两电机驱动模块；其中，每一电机驱动模块包括七个子单元，每一子单元包括一第一三极管以及一第二三极管，第一三极管的基极通过一基极电阻连接单片机控制模块，第一三极管的发射极连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极连接第一三极管的集电极；步进电机的运行方式为单、双八拍运行方式，包括按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者相反顺序通电，A、B、C、D分别为步进电机的四相。

Description

一种基于单片机的云台控制装置

技术领域

本发明涉及控制电路技术领域，特别涉及一种基于单片机的云台控制装置。

背景技术

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。

云台包括手动和电控两种，手动的通常用于照相机、摄像机等人工操作的设备，电控的通常用于摄像头等监控设备，步进电机作为电控云台的转动器件，如何灵活的控制步进电机的运转是其核心技术。因此，如何在提高云台的控制性能的同时简化结构，降低成本是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于单片机的云台控制装置。本发明通过以下技术方案实现：

一种基于单片机的云台控制装置，用以控制云台的运行，包括：

两步进电机，连接云台，分别用以控制云台在水平和垂直方向上运动；

输入模块，用以输入控制信息；

单片机控制模块，连接输入模块，用以根据控制信息产生对应的脉冲信号；

两电机驱动模块，分别连接在两步进电机与单片机控制模块之间，用以对单片机控制模块输出的脉冲信号进行放大，并传输至两步进电机；

其中，每一电机驱动模块包括七个子单元，每一子单元包括一第一三极管以及一第二三极管，第一三极管的基极通过一基极电阻连接单片机控制模块，第一三极管的发射极连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极连接第一三极管的集电极；

步进电机的运行方式为单、双八拍运行方式，包括按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者相反顺序通电，A、B、C、D分别为步进电机的四相。

较佳的，输入模块包括PC机以及独立键盘。

较佳的，PC机与单片机控制模块之间通过一电平转换电路连接，电平转换电路包括：一电平转换芯片，通过三个光电耦合器连接PC机的COM口的RXD、RTS、TXD以及GND四端，用以将PC机的RS232标准转换成单片机控制模块所需的RS485标准。

较佳的，光电耦合器包括：一发光二极管以及一光敏三极管；

其中，当RTS端为逻辑电平1时，发光二极管不发光，光敏三极管不导通，光电耦合器的输出端为TTL逻辑电平1，此时电平转换芯片的发送使能端允许接收TXD端发送的RE232标准的数据；

当RTS端为逻辑电平0时，发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL逻辑电平0，此时电平转换芯片的接收使能端允许RS485标准的数据输出；

当电平转换芯片的R端的输出为逻辑电平1时，发光二极管不发光，光敏三极管不导通，在RS232标准的数据输出停止时，TXD端的逻辑电平为1；当电平转换芯片的R端的输出为逻辑电平0时，发光二极管发光，光敏三极管导通，TXD端的逻辑电平为0。

本发明可以在提高云台的控制性能的同时简化结构，降低成本。

附图说明

图1所示的是本发明实施例的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例的电路图；

图3所示的是本发明实施例的电机驱动模块的电路图；

图4所示的是本发明实施例的电平转换电路的电路图；

图5所示的是本发明实施例的步进电机的原理图；

图6所示的是本发明实施例的步进电机的运行方式示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1和图2所示，本发明提供的一种基于单片机的云台控制装置，包括：步进电机4、输入模块3、单片机控制模块1、电机驱动模块2。本实施例的总体设计思路：独立键盘或PC机输入信息，单片机控制模块1接收后对输入信息进行处理，然后发出控制信号送电机驱动模块2，电机驱动模块2驱动步进电机运转。

单片机控制模块1是本设计的核心。它的工作包括处理键盘输入、响应PC串口中断、控制电机运行等。在本实施例中，以AT89C52单片机为例进行说明，但并不局限于AT89C52单片机。

采用PC机是为了能够实现在微机操作室就能控制现场单片机，以控制步进电机。它是通过RS485总线实现的，PC机将信息从串口发出，通过RS485总线将信息传送到现场的单片机，单片机通过处理得到PC机控制指令，发出控制信息控制步进电机运行。

AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，主要管脚有：XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口，外接11.0592MHz晶振。RST(9脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口(在图2中没有示出)，分别接+5V电源的正负端。P0～P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

VCC(40脚):接+5V电压。

GND(20脚)：接信号地。

RST(9脚):复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

(30脚)：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

(29脚)：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89s52由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

(31脚)：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。

XTAL1(19脚)：接外部晶振的一个引脚，且为输入端。

XTAL2(18脚)：接外部晶振的另一个引脚，该引脚接地。

P0口(39～32脚):双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线低8位及数据总线复用。P0可以驱动8个LS TTL负载。

P1口(1～8脚)：具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，该接口输出不包含高阻态，输出不能锁存。可以驱动4个LS TTL负载。

P2口(21～28脚)：具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，作为高8位地址总线。可以驱动4个LS TTL负载。

P3口(10～17脚)：具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口的8个引脚还用于专门的功能——复用双功能口。它可以驱动4个LS TTL负载。它作为第二功能使用时，其各个引脚的功能如下：

P3.0(10脚)RXD:串行口接收端

P3.1(11脚)TXD：串行口发送端

P3.2(12脚)外部中断0

P3.3(13脚)外部中断1

P3.4(14脚)T0：定时/计数器0

P3.6(16脚)外部数据存储器写选通信号

P3.7(17脚)外部数据存储器读选通信号

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种操作的时间基准。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，振荡方式所得的时钟信号比较稳定，所以在本设计中就是采用内部振荡方式。晶振选用11.0592MHz。

如图2和图3所示，电机驱动模块是本发明的执行机构，用于控制监控摄像机的运动。本发明中对云台电机的转速没有要求，所以在本发明中没有启用步进电机专用的驱动器，这样不仅可以节约成本，而且可以减少工作量。单片机产生步进电机工作所需脉冲信号，脉冲信号通过功率放大电路后再送给步进电机，这样实现电机的控制。

电机驱动模块包括七个子单元，每一子单元包括一第一三极管以及一第二三极管，第一三极管的基极通过一基极电阻连接单片机控制模块，第一三极管的发射极连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极连接第一三极管的集电极，从而组成图3中所示的非门电路。

电机驱动模块内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动电机驱动模块时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。电机驱动模块的每个子单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。

由于PC机只配备了标准的RS232串口，因此还必须加上RS232和RS485转换电路，才能实现通信。在本实施例中，RS232与RS485转换电路设计选用SN75LBC184芯片，但并不做限制。

如图4所示，选用PC机的COM2接口，但COM2的9个端口只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口,以构成简易的四线通信线路。该电路使用了三片光电耦合器TLP521-1进行隔离,这使PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，从而提高了工作的可靠性。当RS232的RTS端为逻辑电平1(-12V)时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出端为TTL逻辑电平1(+5V)，此时选中RS485的DE端允许RS485接收，这样，RS232的TXD端就可以发送数据(工作逻辑与RTS端相似)。当RS232的RTS端为逻辑电平0(+12V)时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通,输出端为TTL逻辑电平0(0V)，此时选中RS485的RE端允许RS485发送。当RS485的R端的输出为逻辑电平1时，光电耦合器发光二极管不发光，光敏三极管不导通，这样，在RS232输出停止时，其TXD电平为-12V，电容被充电到-12V以使其输出也变成-12V,即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0时，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管导通，这时，其输出为+5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。发送使能端DE为高电平，SN75LBC184作为发送器，数据从第4脚输入，第6、7脚输出，其中7脚输出信号的非；接收使能RE为高电平，SN75LBC184作为接收器，信号从6脚或7脚输入，1脚输出。

由于单片机的逻辑电平一般规定为TTL电平，所以单片机与SN75LBC184的连接电路就较简单一些，AT89C52的P3.0、P3.1引脚分别与SN75LBC184的R、D引脚相连，这样，当单片机有关串行数据的操作包括数据输入和输出都能可以由这三个引脚完成。当然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受，应该遵从一定的数据传输协议，以便上位机发送的数据能有效地被分布，单片机系统能可靠的接受，同时单片机系统采集的现场数据同样也可以应该可靠的被上位机接收到。

如图5所示，步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由输入脉冲的频率决定。该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

如图6所示，在本实施例中，步进电机的运行方式为单、双八拍运行方式，包括按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者相反顺序通电，从而保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于单片机的云台控制装置，用以控制云台的运行，其特征在于，包括：

两步进电机，连接所述云台，分别用以控制所述云台在水平和垂直方向上运动；

输入模块，用以输入控制信息；

单片机控制模块，连接所述输入模块，用以根据所述控制信息产生对应的脉冲信号；

两电机驱动模块，分别连接在所述两步进电机与所述单片机控制模块之间，用以对所述单片机控制模块输出的所述脉冲信号进行放大，并传输至所述两步进电机；

其中，每一所述电机驱动模块包括七个子单元，每一所述子单元包括一第一三极管以及一第二三极管，所述第一三极管的基极通过一基极电阻连接所述单片机控制模块，所述第一三极管的发射极连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的集电极连接所述第一三极管的集电极；

所述步进电机的运行方式为单、双八拍运行方式，包括按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或者相反顺序通电，所述A、B、C、D分别为所述步进电机的四相。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的云台控制装置，其特征在于，所述输入模块包括PC机以及独立键盘。

3.根据权利要求2所述的基于单片机的云台控制装置，其特征在于，所述PC机与所述单片机控制模块之间通过一电平转换电路连接，所述电平转换电路包括：一电平转换芯片，通过三个光电耦合器连接所述PC机的COM口的RXD、RTS、TXD以及GND四端，用以将PC机的RS232标准转换成所述单片机控制模块所需的RS485标准。

4.根据权利要求3所述的基于单片机的云台控制装置，其特征在于，所述光电耦合器包括：一发光二极管以及一光敏三极管；

其中，当所述RTS端为逻辑电平1时，所述发光二极管不发光，所述光敏三极管不导通，所述光电耦合器的输出端为TTL逻辑电平1，此时所述电平转换芯片的发送使能端允许接收所述TXD端发送的RE232标准的数据；

当所述RTS端为逻辑电平0时，所述发光二极管发光，所述光敏三极管导通，输出端为TTL逻辑电平0，此时所述电平转换芯片的接收使能端允许RS485标准的数据输出；

当所述电平转换芯片的R端的输出为逻辑电平1时，所述发光二极管不发光，所述光敏三极管不导通，在RS232标准的数据输出停止时，所述TXD端的逻辑电平为1；当所述电平转换芯片的R端的输出为逻辑电平0时，所述发光二极管发光，所述光敏三极管导通，所述TXD端的逻辑电平为0。