CN214896257U - 基于stm32+tmc2208的摄像机云台控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于STM32+TMC2208的摄像机云台控制系统。包括STM32单片机模块及与该STM32单片机模块连接的用于实现云台水平复位的水平光耦限位模块、用于实现云台垂直复位的垂直光耦限位模块、用于实现云台水平转动的水平电机驱动模块、用于实现云台垂直转动的垂直电机驱动模块、用于接收红外光信号的红外接收模块、用于为整个系统供电的电源模块。本实用新型通过红外接收模块接收红外光信号，实现云台的红外控制功能，并通过水平、垂直光耦限位模块实现云台的水平和垂直两个方向复位，以及水平、垂直电机驱动模块实现云台的水平、垂直转动。

Description

基于STM32+TMC2208的摄像机云台控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统。

背景技术

随着安防产业的发展和视频会议的兴起，摄像头云台的国内市场不断加大。近年来，随着国家对安防产业的重视和智慧天眼等项目的实施，安防产业持续火热。据统计，2016年国内安防市场规模达到5400亿元，2020年预计将接近1万亿元，年增长率则保持在两位数增长,国内市场空间不断增大。随着“智慧城市”、“雪亮工程”的建设，更多的城市、乡镇开始使用网络视频监控系统，以实现大范围视频监控系统。而摄像机云台是视频监控领域信息采集的终端，故对云台的需求也不断扩大，对云台的管理控制需求得到了快速的发展。

传统的云台控制系统是通过RS485或者其他通信模块与PC机或者云台进行连接，存在开销过大的问题。而目前基于嵌入式的发展，摄像机云台控制系统的方案多样。采用STC51单片机的控制和处理能力不足，采用ARM架构单片机+驱动芯片+步进电机将成为主流，采用基于ARM架构的主芯片的摄像机云台更加适合现阶段的发展要求。

在摄像机云台方面的研究国外起步较早，国外对摄像机云台系统研究的侧重点主要是摄像机在拍摄时的立体视觉效果的呈现，因而对云台的调速控制精度和定位的准确性要求非常高。最早研究把立体视觉云台与摄像机相结合是英国的牛津大学，第一代的视觉云台降低了云台的转动速度为了实现云台的精确定位，再之后通过产品的优化升级又提高了转速。再到后期为了更好的应付突发情况的快速反应则通过提高加速度来处理。

国内对云台的研究起步较晚，随着近几年中国技术的进步和市场的扩大，国内厂家在摄像机云台技术方面呈现赶超趋势。在我国中科院自动化研究所、上海交大等院校和科研机构都先后对摄像机云台技术进行了研宄，中科院自动化研宄所2003年研制的开放式工业摄像机视觉控制平台，通过上位机控制自行研制的多台多自由度云台，实现多个摄像头的姿态及拍摄角度的变换。目前，对于摄像机的云台控制系统，采用的方案多样，应用较多的电机驱动是STM32+驱动芯片+电机的方案，而使用STM32+TMC2208专用步进电机驱动方案的较少。

综合国内外对云台的研究不难看出，随着智能控制技术研究的迅速发展，摄像机云台的研宄虽然刚开始的时候只有国外的少数一些国家在研究，但随着国内在技术领域的发展也在努力追赶因此在这一领域也保持一定竞争力。小巧轻便、全方位、高精度以及智能化控制正在成为摄像机云台发展的主要方向，同时摄像机云台也朝着多样化的发展。因此导致了摄像机云台的设计与发展在目前的环境下并没有一个固定的模式。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，通过红外接收模块接收红外光信号，实现云台的红外控制功能，并通过水平、垂直光耦限位模块实现云台的水平和垂直两个方向复位，以及水平、垂直电机驱动模块实现云台的水平、垂直转动。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，包括STM32单片机模块及与该STM32单片机模块连接的用于实现云台水平复位的水平光耦限位模块、用于实现云台垂直复位的垂直光耦限位模块、用于实现云台水平转动的水平电机驱动模块、用于实现云台垂直转动的垂直电机驱动模块、用于接收红外光信号的红外接收模块、用于为整个系统供电的电源模块。

在本实用新型一实施例中，所述水平电机驱动模块、垂直电机驱动模块均采用TMC2208。

在本实用新型一实施例中，所述水平光耦限位模块、垂直光耦限位模块均采用RPI-246。

在本实用新型一实施例中，所述电源模块包括12V电源适配器、12V转5V电路、12V转3.3V电路。

在本实用新型一实施例中，所述STM32单片机模块采用STM32F103RBT6。

在本实用新型一实施例中，还包括底座、水平旋转座体，所述水平电机驱动模块的步进电机固定于底座上，以带动水平旋转座体水平转动，所述垂直电机驱动模块的步进电机固定于水平旋转座体上，以带动用于固定摄像头的云台垂直转动。

在本实用新型一实施例中，还包括固定于底座上的第一限位槽、固定于水平旋转座体上的第二限位槽，第一限位槽与固定于所述水平电机驱动模块的步进电机转轴上的第一遮光片实现水平旋转座体的水平限位，第二限位槽与固定于所述垂直电机驱动模块的步进电机转轴上的第二遮光片实现云台的垂直限位。

在本实用新型一实施例中，所述水平光耦限位模块包括第一光敏三极管、第一发光二极管，其中第一光敏三极管、第一发光二极管安装于所述第一限位槽上，使得第一遮光片前端转到第一限位槽内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号；所述垂直光耦限位模块包括第二光敏三极管、第二发光二极管，其中第二光敏三极管、第二发光二极管安装于所述第二限位槽上，使得第二遮光片前端转到第二限位槽内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型通过红外接收模块接收红外光信号，实现云台的红外控制功能，并通过水平、垂直光耦限位模块实现云台的水平和垂直两个方向复位，以及水平、垂直电机驱动模块实现云台的水平、垂直转动。

附图说明

图1是本实用新型云台系统总体框图。

图2是本实用新型STM32单片机模块电路原理图。

图3是本实用新型光耦限位模块电路原理图。

图4是本实用新型电机驱动模块电路原理图。

图5是本实用新型云台系统结构示意图。

图6是本实用新型云台系统结构云台垂直方向转动示意图。

图中：1-底座、2-水平旋转座体、3-步进电机、4-云台、5-第二限位槽、6-第二遮光片、7-第一限位槽、8-第一遮光片。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型的一种基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，包括STM32单片机模块及与该STM32单片机模块连接的用于实现云台水平复位的水平光耦限位模块、用于实现云台垂直复位的垂直光耦限位模块、用于实现云台水平转动的水平电机驱动模块、用于实现云台垂直转动的垂直电机驱动模块、用于接收红外光信号的红外接收模块、用于为整个系统供电的电源模块。所述水平电机驱动模块、垂直电机驱动模块均采用TMC2208。所述水平光耦限位模块、垂直光耦限位模块均采用RPI-246。所述电源模块包括12V电源适配器、12V转5V电路、12V转3.3V电路。所述STM32单片机模块采用STM32F103RBT6。

如图5、6所示，本实用新型基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，还包括底座1、水平旋转座体2，所述水平电机驱动模块的步进电机固定于底座1上，以带动水平旋转座体2水平转动，所述垂直电机驱动模块的步进电机固定于水平旋转座体2上，以带动用于固定摄像头的云台4垂直转动。还包括固定于底座1上的第一限位槽7、固定于水平旋转座体上的第二限位槽5，第一限位槽7与固定于所述水平电机驱动模块的步进电机3转轴上的第一遮光片8实现水平旋转座体2的水平限位，第二限位槽5与固定于所述垂直电机驱动模块的步进电机3转轴上的第二遮光片6实现云台3的垂直限位。

所述水平光耦限位模块包括第一光敏三极管、第一发光二极管，其中第一光敏三极管、第一发光二极管安装于所述第一限位槽7上，使得第一遮光片8前端转到第一限位槽7内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号；所述垂直光耦限位模块包括第二光敏三极管、第二发光二极管，其中第二光敏三极管、第二发光二极管安装于所述第二限位槽5上，使得第二遮光片6前端转到第二限位槽5内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号。

以下为本实用新型具体实施例。

如图1-4所示，本实用新型基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，电源设计部分采用12V适配器电源输入，由DC/DC芯片转化输出5V和3.3V电源。MCU采用STM32F103RBT6，共64管脚。外部晶振8Mhz输入，VDD、VSS端接3.3V电源供电。MCU的PC8连接LED灯，可用其编写LED闪烁检测系统是否正常工作。PB1连接红外接收器作为红外接收管脚。BOOT1、BOOT0决定STM32启动模式，本设计BOOT0=0、BOOT1=0，设置为主闪存存储器启动。BHB_INT、BVB_INT作为光耦信号输入，用于判断云台电机是否到位，即遮光片是否挡住光耦。SWCLK、SWDIO则为STM32程序下载口，使用ST-LINK-V2下载程序。PB12、13、14、15、PC4、PC5分别连接TMC2208的DIR、STEP和EN引脚，配置电机的方向、转速和使能。其余管脚不详细介绍。光耦的内部由发光二极管和光敏三极管组成开关电路。正常上电时，发光二极管发出的光信号到达光敏三极管，光敏三极管导通；当遮光片挡住狭缝时，光敏三极管截止。可根据此开关电性来实现云台电机限位功能。由于光敏三极管的电压是逐渐变化的，为了实现较好的判断和较低的误差，故使用电压比较器（LM393）。电压比较器的作用是比较两路输入电压的大小，比较器IN+>IN-，输出高电平（5V）；IN+<IN-，输出低电平（0V）。为了提高负载的驱动能力，使用反相器（SN74LVC3G14）反向后连接到STM32的GPIO引脚。当遮光片未遮挡光耦时，IN+（0V）< IN-（2.6V），电压比较器输出为低电平，经反相器反向后为高电平；当遮光片遮挡光耦时，IN+（5V）> IN-（2.6V）,电压比较器输出为高电平，经反相器反向后为低电平。

当红外接收模块的红外接收头接收到信号时，相应的GPIO引脚产生中断，中断服务程序进行红外解码，执行相应的操作，最后返回等待中断。当光耦产生中断时，说明电机已经到达限位坐标，在实际应用时，为了让光耦的下一次下降沿有效。故遮光片到达光耦处时，反转一段距离，使得无论怎么操作电机光耦都能够再次产生中断，以达到限位目的。然后再拉高与电机驱动芯片EN1、EN2管脚使得云台电机停止运转，最后返回等待中断。

当云台到达光耦限位位置时，进入光耦中断服务函数，使云台转出光耦后云台停止。

水平、垂直旋转平台：让电机以一定的速度正转或者反转一定角度。即电机驱动使能，DIR（方向）高低控制正转或反转，STEP（步数）输入PWM波形控制电机的频率和角度。而步进电机的运转速度由PWM波的频率决定，转过的角度由PWM波的数量决定，所以将决定PWM的频率和数量的参数作为函数的参数，即可实现调角和调速。

本实用新型PCB设计采用Cadence软件里的PCB Editor，首先先建立元器件封装，然后进行布局布线，最后铺铜输出光绘。重点在于布局布线，根据原理图模块分模块进行布局布线。首先是电源模块。DC/DC芯片处特别注意电容应尽量靠近输入输出端，电感应尽量靠近DC/DC。然后MCU模块，本着走线尽量简单清晰打孔最少的原则，将MCU放置在PCB中间，光耦限位模块、SW、晶振、电机驱动模块先按模块放好后分别放置在MCU周边。PCB设计耗时，先绘制芯片封装，完成布局，然后布线，铺铜输出光绘。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，包括STM32单片机模块及与该STM32单片机模块连接的用于实现云台水平复位的水平光耦限位模块、用于实现云台垂直复位的垂直光耦限位模块、用于实现云台水平转动的水平电机驱动模块、用于实现云台垂直转动的垂直电机驱动模块、用于接收红外光信号的红外接收模块、用于为整个系统供电的电源模块。

2.根据权利要求1所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，所述水平电机驱动模块、垂直电机驱动模块均采用TMC2208。

3.根据权利要求1所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，所述水平光耦限位模块、垂直光耦限位模块均采用RPI-246。

4.根据权利要求1所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，所述电源模块包括12V电源适配器、12V转5V电路、12V转3.3V电路。

5.根据权利要求1所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，所述STM32单片机模块采用STM32F103RBT6。

6.根据权利要求1所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，还包括底座、水平旋转座体，所述水平电机驱动模块的步进电机固定于底座上，以带动水平旋转座体水平转动，所述垂直电机驱动模块的步进电机固定于水平旋转座体上，以带动用于固定摄像头的云台垂直转动。

7.根据权利要求6所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，还包括固定于底座上的第一限位槽、固定于水平旋转座体上的第二限位槽，第一限位槽与固定于所述水平电机驱动模块的步进电机转轴上的第一遮光片实现水平旋转座体的水平限位，第二限位槽与固定于所述垂直电机驱动模块的步进电机转轴上的第二遮光片实现云台的垂直限位。

8.根据权利要求7所述的基于 STM32+TMC2208 的摄像机云台控制系统，其特征在于，所述水平光耦限位模块包括第一光敏三极管、第一发光二极管，其中第一光敏三极管、第一发光二极管安装于所述第一限位槽上，使得第一遮光片前端转到第一限位槽内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号；所述垂直光耦限位模块包括第二光敏三极管、第二发光二极管，其中第二光敏三极管、第二发光二极管安装于所述第二限位槽上，使得第二遮光片前端转到第二限位槽内时，能够遮挡第一发光二极管向第一光敏三极管发射的光信号。

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