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        基于單片機(jī)的云臺(tái)監(jiān)控控制器的設(shè)計(jì)

        2014-02-11 02:48:36李明海徐軼群
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年9期
        關(guān)鍵詞:云臺(tái)倍率串口

        李明海,徐軼群

        (集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門 361021)

        基于單片機(jī)的云臺(tái)監(jiān)控控制器的設(shè)計(jì)

        李明海,徐軼群

        (集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門 361021)

        云臺(tái)監(jiān)控控制器主要由主電路控制部分、云臺(tái)部分和攝像頭部分三部分組成。以89s51單片機(jī)為核心處理模塊,以型號(hào)為CSM100的CAN模塊為數(shù)據(jù)傳輸模塊,用戶通過(guò)上位機(jī)由串口助手發(fā)送串口數(shù)據(jù)指令控制云臺(tái)監(jiān)控的動(dòng)作,同時(shí)接收控制器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信息。89s51單片機(jī)通過(guò)對(duì)指令的處理實(shí)現(xiàn)控制4個(gè)繼電器,由繼電器控制云臺(tái)的上下左右轉(zhuǎn)動(dòng);89s51單片機(jī)控制另2個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)攝像頭倍率的大小調(diào)節(jié)。上位機(jī)經(jīng)過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

        單片機(jī);云臺(tái);攝像頭;繼電器

        0 引言

        隨著社會(huì)科技信息化,視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)控系統(tǒng)、安防設(shè)備、云臺(tái)支架等應(yīng)運(yùn)而生,云臺(tái)監(jiān)控已成為重要角色之一。云臺(tái)監(jiān)控可用于機(jī)場(chǎng)、火車站、汽車站、辦公樓等公共場(chǎng)所的安防監(jiān)控;可用于公安機(jī)關(guān)對(duì)相關(guān)證據(jù)的搜集;可用于住宅區(qū)安全管理;可用于學(xué)校的考試監(jiān)控和宿舍安防的保障……云臺(tái)監(jiān)控適用于對(duì)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[1]。云臺(tái)監(jiān)控高速姿態(tài)是由兩臺(tái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),電動(dòng)機(jī)接受來(lái)自控制器的指令準(zhǔn)確地運(yùn)行進(jìn)行定位。在控制指令的作用下,云臺(tái)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(duì)象。云臺(tái)監(jiān)控廣闊的市場(chǎng)前景與可應(yīng)用性將賦予它存在的重要意義!

        1 控制器組成及工作原理

        本設(shè)計(jì)原理圖如圖1示,該設(shè)計(jì)控制單元采用51系列單片機(jī)為控制單元。該單片機(jī)將程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、處理器還有一些特殊設(shè)備(如模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)等都集成在一塊芯片中,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,功能簡(jiǎn)單,成本低,適合低成本的電器控制。上位機(jī)的通訊通過(guò)CAN模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器局域網(wǎng) (Controller Area Network,CAN)模塊是一個(gè)串行接口,用來(lái)與其他CAN模塊或數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行通信。此接口/協(xié)議設(shè)計(jì)為允許在噪聲環(huán)境下進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)采用嵌入式CAN轉(zhuǎn)UART模塊CSM100來(lái)實(shí)現(xiàn)有CAN-bus通訊接口的儀器、儀表設(shè)備的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。CSM100具有8bit微處理器,CAN控制器,CAN收發(fā)器,電源電路,隔離電路,總線保護(hù)電路。模塊尺寸31.5 mm×19.9 mm×6.5 mm的24引腳封裝,該模塊不需要接任何外圍元件就可以使設(shè)備通過(guò)UART端口連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)中。UART輸出為TTL電平;模塊特性如下:供電電壓為Vcc=5 V,icc<70 mA;工作溫度-40℃~85℃;隔離電壓為直流2 500 V;支持CAN2.0A,CAN 2.0B協(xié)議。內(nèi)置一路UART輸出通道,一路CAN-bus輸出通道,最高帖流量為400帖/秒[2]。

        用戶在上位機(jī)上通過(guò)串口助手用串口數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)。串口助手發(fā)送命令要選用十六進(jìn)制數(shù)發(fā)送并顯示。用戶在串口助手上發(fā)送指令,也可以在接收窗口看到你發(fā)送的指令??刂茊卧ㄟ^(guò)接收指令坐出相應(yīng)操作控制繼電器的開(kāi)合來(lái)控制云臺(tái)的上下,左右的轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)控制攝像頭的倍率。

        圖1 作品結(jié)構(gòu)與原理圖

        2 硬件部分

        本設(shè)計(jì)主要有三部分組成,主電路控制部分,云臺(tái)控制部分,攝像頭控制部分。

        2.1 主電路

        主電路電源部分如圖2示。

        由直流24 V的電源轉(zhuǎn)為三部分[3]:通過(guò)逆變器,變成24 V的交流電,最后給云臺(tái)部分供電;通過(guò)芯片7815變成12 V的直流電,給攝像頭供電;通過(guò)芯片7805變成5 V的直流電,給云臺(tái)和攝像頭的繼電器供電。同時(shí)還設(shè)計(jì)了電源短路保護(hù)電路如圖3所示:c5,c6,c7為104F;c11,c12為1μF電解電容。

        圖3 電源保護(hù)電路

        主電路控制部分如圖4所示,采用89s51單片機(jī),該單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘晶振12 MHz,還包括按鍵復(fù)位電路,上位機(jī)通訊模塊采用can模塊csm100,硬件原理圖P2口采用一組8位撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)連通與斷開(kāi)。

        2.2 云臺(tái)部分

        云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路如圖5示。

        (左轉(zhuǎn))K5繼電器:只有在P0.0給高電平(K5常開(kāi)觸頭閉合),P0.1給低電平(K6常閉觸頭閉合)時(shí),云臺(tái)左轉(zhuǎn)。

        (右轉(zhuǎn)) K6繼電器:只有在P0.1給高電平(K6常開(kāi)觸頭閉合),P0.0給低電平(K5繼電器常閉觸頭閉合)時(shí),云臺(tái)右轉(zhuǎn)。

        (上轉(zhuǎn))K7繼電器:只有在P0.2給高電平(K7常開(kāi)觸頭閉合),P0.3給低電平(K8常閉觸頭閉合)時(shí),云臺(tái)上轉(zhuǎn)。

        (下轉(zhuǎn))K8繼電器:只有在P0.3給高電平(K8常開(kāi)觸頭閉合),P0.2給低電平(K7繼電器常閉觸頭閉合)時(shí),云臺(tái)下轉(zhuǎn)。

        云臺(tái)控制電路如圖6示,由上位機(jī)發(fā)送指令信號(hào),控制所在電磁繼電器吸合與常態(tài)。

        圖4 主控制電路

        圖5 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路

        2.3 攝像頭部分

        攝像頭驅(qū)動(dòng)電路如圖7示。

        (倍率主)K1繼電器:用來(lái)控制倍率指令的通斷。當(dāng)P0.4給高電平時(shí),繼電器常開(kāi)觸頭閉合,指令可以發(fā)送出去;當(dāng)P0.4給低電平時(shí),繼電器常閉觸頭閉合,指令不能發(fā)送出去。

        (倍率副)K2繼電器:當(dāng)P0.5給高電平時(shí),供給12 V直流電,倍率增大;當(dāng)P0.5給低電平時(shí),供給-12 V直流電,倍率減小。

        攝像頭控制電路如圖8示:由上位機(jī)發(fā)送指令信號(hào),控制所在主倍率和副倍率電磁繼電器吸合與常態(tài)。

        3 軟件部分

        由KEIL2為51單片機(jī)編程,程序模塊流程圖9如下:程序分為主程序,程序初始化子程序;指令操作子程序。主程序接收指令并且判斷指令類別,最后執(zhí)行指令對(duì)應(yīng)的操作。程序初始化子程序?yàn)樵O(shè)定允許接收;設(shè)定定時(shí)中斷初始值,指令操作子程序根據(jù)指令碼執(zhí)行所在程序段使相應(yīng)的繼電器坐出動(dòng)作。

        51單片機(jī)對(duì)上位機(jī)發(fā)出的指令代碼進(jìn)行處理,判斷執(zhí)行控制指令,使相應(yīng)的繼電器工作,從而使云臺(tái)中兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)上下左右轉(zhuǎn)及攝像頭倍率的調(diào)節(jié)。

        云臺(tái)的控制指令:

        云臺(tái)上轉(zhuǎn)指令:05 01 C0 40 00 00 00 11

        云臺(tái)下轉(zhuǎn)指令:05 01 C0 80 00 00 00 11

        云臺(tái)左轉(zhuǎn)指令:05 01 C0 10 00 00 00 11

        云臺(tái)右轉(zhuǎn)指令:05 01 C0 20 00 00 00 11

        攝像頭控制指令:

        倍率放大指令:05 01 C0 04 00 00 00 11

        倍率減小指令 :05 01 C0 08 00 00 00 11

        圖7 攝像頭驅(qū)動(dòng)電路

        圖8 攝像頭控制電路

        上位機(jī)部分采用串口助手V2.2軟件,該軟件可對(duì)控制板進(jìn)行串口打開(kāi)與關(guān)閉,發(fā)送指令,接收數(shù)據(jù),配置信息。配置信息包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位,配置發(fā)送與接收數(shù)據(jù)格式等信息。

        上位機(jī)通過(guò)串口與控制板連接好后,打開(kāi)串口助手設(shè)置串口號(hào),十六進(jìn)制顯示和發(fā)送;設(shè)置波特率9 600 bit/s;從發(fā)送字符和數(shù)據(jù)窗口可以向控制板發(fā)送指令。

        圖9 程序流程圖

        4 特色、功能

        (1)適用于對(duì)大范圍場(chǎng)所進(jìn)行掃描監(jiān)視,可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。可調(diào)節(jié)攝像頭的倍率,使監(jiān)視更清晰。

        (2)云臺(tái)高速姿態(tài)是由兩臺(tái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),電動(dòng)機(jī)接受對(duì)來(lái)自控制器的指令精確地運(yùn)行進(jìn)行定位。

        (3)在控制指令的作用下,云臺(tái)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(duì)象。

        (4)具有廣闊市場(chǎng)前景,廣泛適用性,可用性,器件易買、成本適中。

        該設(shè)計(jì)通過(guò)上位機(jī)(電腦)發(fā)出操作指令,經(jīng)過(guò)51單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)和攝像頭的控制。最終實(shí)現(xiàn)云臺(tái)移動(dòng),通過(guò)攝像頭倍率調(diào)節(jié)來(lái)更好監(jiān)控對(duì)象。

        5 測(cè)試方法

        硬件確認(rèn)無(wú)誤,程序通過(guò)KEIL軟件編譯無(wú)誤后導(dǎo)入單片機(jī)。在接通串口及有關(guān)鏈接線后接通電源,由電腦端輸入控制指令,可觀察到云臺(tái)作出相應(yīng)的動(dòng)作,以及攝像頭倍率的調(diào)節(jié)效果,信號(hào)通過(guò)串口返回電腦,用戶可清晰看到檢測(cè)效果。

        [1]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.CMS100產(chǎn)品數(shù)據(jù)說(shuō)明書(shū)[EB/OL]. http:// wenku. baidu. com/ view/ dba62f29b d64783e09122b01.html.

        [2]葛廣軍.基于STC12C5410AD的新型攝像搖臂云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào),2011,20(2):63-66.

        [3]王松武,趙旦峰,于蕾,等.常用電路模塊設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

        [4]馬斌.單片機(jī)原理及應(yīng)用——C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

        [5]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì):第三版[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

        Yuntai Monitor Controller Design Based on Single Chip Microcomputer

        LI Ming-hai,XU Yi-qun
        (Jimei University Institute of Marine Engineering,Xiamen361021,China)

        PAN/TILT Monitoring Controller mainly consists of main circuit parts,PAN/TILT parts and camera parts of three parts.In this paper,using the single chip processor as the core processing module,use the CAN module to transmit data,the user on the PC via a serial port assistant sends serial data control yuntai monitor action,at the same time receive feedback controller data information.By 51 single chip microcomputer to control the order processing,four relay so as to realize the up and down or so of yuntai rotation.Control the size of the other two relay to realize camera ratio adjustment.Sending and receiving data through RS232.

        Single Chip Microcomputer;PAN/TILT;camera;relay

        TP273

        A

        1009-9492(2014)09-0104-04

        10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.028

        李明海,男,1987年生,福建人,碩士研究生。研究領(lǐng)域:輪機(jī)工程。

        徐軼群,男,1963年生,碩士,教授。研究領(lǐng)域:輪機(jī)工程。 (編輯:向 飛)

        2014-03-26

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