夏 凡，王 粟，汪 峰

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

1 系統(tǒng)的工作原理

1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

本設(shè)計采用型號為28BYJ48的步進(jìn)電機(jī)，它是四相八拍永磁式減速電機(jī)，步距角度為5.625／64，減速比為1∶64，定位轉(zhuǎn)矩大于或等于300Nm［1］.本設(shè)計通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的.

由于步進(jìn)電機(jī)不能直接采用直流或者普通交流供電，必須采用專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器基本原理見圖1，由脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動單元、反饋與保護(hù)單元組成.

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制基本原理框圖

綜合28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點，本設(shè)計采用四只9012的三極管，共集電極安放，將MC0－3電平反向輸出，以此增強(qiáng)電流驅(qū)動能力，具體原理圖如下：

當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動.每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）.步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的指令個數(shù)

其中m＝8，即可以得到S′＝4096.

那么旋轉(zhuǎn)一度所需要的指令數(shù)為4096／360，要旋轉(zhuǎn)N度，所需要的指令數(shù)

通過式（1）和式（2），達(dá)到準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的目的.

圖2 步進(jìn)電機(jī)設(shè)計原理圖

當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距.四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A－B－C－D－A…），雙（雙相繞組通電）四拍（ABBC－CD－DA－AB…），八拍（A－AB－B－BC－C－CD－D－DA－A…）.驅(qū)動方式見圖3.

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

由運行人員通過單片機(jī)實時控制兩個不同平面的步進(jìn)運轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械耦合連接到監(jiān)控攝像頭上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運行時，會帶動其監(jiān)控攝像頭的相應(yīng)旋轉(zhuǎn).

具體而言，就是通過紅外通信遙控器和按鍵輸入器件，控制兩個步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)運轉(zhuǎn)，并由LED顯示出步進(jìn)電機(jī)實時工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)兩個不同平面的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向時，監(jiān)控攝像頭會在三維空間中任意角度旋轉(zhuǎn)；同時合理控制兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使監(jiān)控攝像頭勻速或加速度旋轉(zhuǎn)；預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，讓運行人員自定義監(jiān)控攝像頭的運轉(zhuǎn)時間，達(dá)到監(jiān)控攝像頭定時旋轉(zhuǎn)的效果.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4.

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

在清楚了解整個系統(tǒng)的原理后，即可對整個系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計，主要有下面內(nèi)容：單片機(jī)控制模塊，LED顯示模塊，紅外遙控模塊，按鍵輸入模塊，攝像頭組裝模塊等.

2.1 單片機(jī)控制模塊

以STC89C51高性能CMOS 8位單片機(jī)為核心器件，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB Flash存儲器，256BRAM，32位I／O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器／計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路［1］，它使用高密度、非易失性存儲器技術(shù)制造，按照設(shè)計原理一般化設(shè)計，不再贅述.

2.2 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用的LCD是1602字符液晶模塊，能夠同時顯示16字、2行即32個字符.

由于硬件設(shè)計原因，該處I／O比較緊缺，故將P1口左側(cè)的JP14跳線跳帽到Motor一側(cè)（左側(cè)），LCD模塊的ADDR0到ADDR3四個口需要用杜邦線引出來，連接相對應(yīng)的P3.0，P3.1，P3.2和P3.5口，以使LCD正常工作.

圖5 顯示譯碼與步進(jìn)電機(jī)的選擇接口

2.3 紅外遙控模塊

采用HS0038作為紅外遙控接收端，HS0038是一個集紅外線信號接收和放大為一體的三端元器件，其中心接收頻率為38kHz，3個引腳分別為：1—地，2—電源，3—數(shù)據(jù)輸出.當(dāng)接收到38kHz的紅外信號時，輸出端為低電平；沒有接收到38kHz的紅外信號時，輸出端為高電平.HS0038的具體硬件電路見圖6.

圖6 HS0038的硬件電路

2.4 按鍵輸入模塊

由于系統(tǒng)中的其他模塊對端口占有不多，所以在鍵盤連接上采用每一排按鍵組成獨立式按鍵進(jìn)行控制，共4排獨立式按鍵形成了矩陣按鍵（圖7）.

本設(shè)計采用軟件去斗，即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生5～10ms的延時，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為真正有鍵按下［2］.

圖7 按鍵電路

2.5 攝像頭組裝模塊

攝像頭組裝就是用來使監(jiān)控攝像頭與兩個不同平面上的步進(jìn)電機(jī)機(jī)械連接的部分.具體處理辦法是在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上套裝一個齒輪套，該齒輪套與一個帶齒輪的支柱相嚙合，再將該支柱與監(jiān)控攝像頭底座齒輪組相嚙合［3］，由此，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)左右旋轉(zhuǎn)時會帶動監(jiān)控攝像頭底座齒輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到監(jiān)控攝像頭自由旋轉(zhuǎn)的目的.

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C語言模塊化結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計.隨著代碼量不斷加大，將所有代碼放在同一個C文件中使得程序結(jié)構(gòu)混亂，可讀性和可移植性較差，采用模塊化設(shè)計，能夠有效解決此類問題.

仿真系統(tǒng)的程序在KEIL C51Vision3環(huán)境下編譯.程序主要包括：數(shù)據(jù)讀取程序、正反轉(zhuǎn)判斷程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序和紅外遙控解碼程序（圖8）.

圖8 主程序流程圖

程序設(shè)計過程中，分別將紅外DS1302、1602、蜂鳴器等程序模塊進(jìn)行封裝，等待主函數(shù)的調(diào)用.從圖9中可以看出，單片機(jī)上電工作后，LCD顯示初始狀態(tài)信息平臺，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的定時器0子程序和控制紅外解碼的外部中斷1子程序等待相應(yīng)指令.首先在主函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化過程，設(shè)置定時器0的初始值、顯示LCD初始態(tài)等，當(dāng)按鍵或紅外遙控輸入信號時，定時器0中斷子程序進(jìn)行運行，對T0進(jìn)行重裝初值，不停的統(tǒng)計脈沖個數(shù)，當(dāng)滿足相關(guān)條件后，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行對應(yīng)的驅(qū)動程序，程序運行代碼如下：

void motor＿onoff（）interrupt 1

｛

TL0＝0x33；

TH0＝0xf5；

q＋＋；

if（q＜rate）

｛return；｝

else

｛q＝0；

number＋＋；｝／／脈沖計數(shù)

if（number＝＝4096）／／64個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈｛snum－－；

number＝0；

number1＋＋；｝／／電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)

if（direction＝＝1）／／方向標(biāo)志

｛if（v＜8）

｛P1＝ FFW［v］；v＋＋；｝／／取數(shù)據(jù)，正轉(zhuǎn)

if（v＝＝8）

｛v＝0；｝

｝

else

｛if（v＜8）

｛P1＝ REV［v］；v＋＋；｝／／取數(shù)據(jù)，反轉(zhuǎn)

if（v＝＝8）

｛v＝0；｝

｝

｝

在外部中斷1子程序中，通過紅外遙控接收器獲取紅外信號，再通過紅外解碼程序進(jìn)行紅外通信的解碼，將所獲取的鍵碼值存入相關(guān)數(shù)組，等待主程序的調(diào)用［4］.

在運行主程序中，通過預(yù)設(shè)判斷是否滿足四種條件要求，如果滿足進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；如果不滿足，則直接返回到等待獲取紅外程序，繼續(xù)等待.

圖9 中斷子程序流程圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于51單片機(jī)紅外遙控監(jiān)控攝像頭的方案，將在不同平面上的兩個步進(jìn)電機(jī)機(jī)械組裝從而達(dá)到控制監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)的目的.通過KEIL51軟件與Proteus軟硬件仿真驗證了本方案的可行性.和傳統(tǒng)的控制攝像頭方案相比，本設(shè)計特點是：穩(wěn)定性好，可靠性高，實時性強(qiáng)，操作簡明.

在應(yīng)用于實際中時，本設(shè)計的系統(tǒng)還存在一定不足，還需要考慮很多實際影響因素，比如兩個步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)度問題，如何更加精準(zhǔn)地控制監(jiān)控攝像頭的旋轉(zhuǎn)角度，同時考慮如何將該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化等等一些實際問題，展望未來，隨著技術(shù)朝著高精度、更穩(wěn)定方向發(fā)展，設(shè)計中的一些死角問題也將得到很好的解決，從方案到實際應(yīng)用還有一段路要走.

［1］劉波文，劉向宇，黎勝容.51單片機(jī)C語言應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：138－149.

［2］高 偉，曹國君.AT89單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：39.

［3］李少遠(yuǎn)，王景成.智能控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：53－83.

［4］戴仙金.51單片機(jī)C語言程序開發(fā)實例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：323－429.