單片機(jī)為核心設(shè)計云臺控制器解析

引言

采用單片機(jī)為核心設(shè)計的云臺控制器在監(jiān)控場合能實現(xiàn)控制攝像機(jī)進(jìn)行大范圍、寬角度的移動，以使攝像機(jī)能夠達(dá)到接近360°全景式攝像，且其在經(jīng)濟(jì)性、靈活性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性等方面都具有獨特的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:①單片機(jī)：設(shè)計的核心，在軟件的配合下實現(xiàn)對鍵盤所輸入信息的識別，根據(jù)輸入信息向云臺中的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出指令，使其實現(xiàn)正/ 反轉(zhuǎn)、速度控制、程序控制等功能，并將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過數(shù)碼管顯示出來;②步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動：負(fù)責(zé)云臺系統(tǒng)在豎直和水平兩個方向上的轉(zhuǎn)動，是系統(tǒng)的執(zhí)行部件;③鍵盤：外部信息的輸入器件，是控制人員指揮云臺系統(tǒng)工作的重要組成部分; ④顯示器件：將步進(jìn)電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速顯示出來，以便控制人員根據(jù)轉(zhuǎn)速來確定對云臺的控制策略。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路按系統(tǒng)功能劃分為步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動模塊、單片機(jī)及其外圍電路、鍵盤及顯示電路共三部分,系統(tǒng)硬件功能框圖如圖一所示。

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動模塊的選擇

驅(qū)動器接收到脈沖信號之后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運行的?？赏ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可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。所選步進(jìn)電機(jī)為兩臺混合式步進(jìn)電機(jī)57BYG250C，具有兩相/ 四相運行能力，四拍工作時步距角為1.8°，八拍為0.9°。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊型號為HB202A，具備4/8 拍轉(zhuǎn)換控制信號、脫機(jī)(FREE)控制信號、輸入信號光電隔離等功能。設(shè)計中增加了一個脫機(jī)控制鍵，在出現(xiàn)故障或調(diào)試時將兩臺電機(jī)置于脫機(jī)狀態(tài)，可手工調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)。脫機(jī)控制鍵直接與單片機(jī)INT0 相接，設(shè)INT0 為最高優(yōu)先級，以便在故障時能迅速實現(xiàn)脫機(jī)控制。由于不經(jīng)過8279 而直接接在單片機(jī)上，則必須設(shè)置鍵盤去抖動電路，以免使單片機(jī)產(chǎn)生誤操作。

2.2 鍵盤及顯示電路設(shè)計

鍵盤及顯示電路采用INTEL8279 來實現(xiàn)。鍵盤采用N鍵循回方式，顯示為8 位左端送入。8279 外接2*8 鍵盤和八位顯示器，采用編碼掃描方式。8279 的IRQ 和單片機(jī)的INT1相接，只要有鍵按下，就會申請中斷。當(dāng)單片機(jī)外接12M 晶振時，ALE 為2M，而其與CLK 相連，所以其分頻命令字為34H。通過8279 所擴(kuò)展的按鍵共16 個，8 個負(fù)責(zé)兩個方向上的步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，8 個是功能鍵，分別負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的加減速、程序控制、步進(jìn)電機(jī)的限位開關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要由初始化程序、鍵盤程序、速度控制程序、轉(zhuǎn)速檢測及顯示程序組成。除初始化程序外，其余程序均采用中斷工作方式，提高了CPU 的利用率。

3.1 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計

先對單片機(jī)各中斷源進(jìn)行初始化，使用五個中斷源：INT0、INT1、T0、T1、T2，INT0、T0、T1 為高優(yōu)先級，INT1、T2 為低優(yōu)先級。INT0 申請中斷，則程序立即使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入脫機(jī)控制程序，步進(jìn)電機(jī)不再受單片機(jī)的控制，且是電平觸發(fā)，單片機(jī)始終執(zhí)行脫機(jī)程序，直至外部觸發(fā)信號由操作人員手工撤銷，系統(tǒng)才恢復(fù)正常工作。后設(shè)置T0、T1、T2 的工作方式，并寫入計數(shù)處置，開啟這幾個中斷源的允許位，打開CPU 中斷。

3.2 鍵盤程序的設(shè)計

鍵盤鍵按下后產(chǎn)生中斷申請，單片機(jī)響應(yīng)中斷后，開始執(zhí)行中斷程序。從8279 內(nèi)部將產(chǎn)生的鍵值讀出，并根據(jù)鍵值來執(zhí)行相應(yīng)的程序。CPU 接收到該信息后，并不立即動作。為保證步進(jìn)電機(jī)速度控制的穩(wěn)定性，先保存該鍵值所對應(yīng)的命令，在T0/T1 到達(dá)所設(shè)定的計數(shù)值之后，按一定的速度需要輸出脈沖時，再將該信息送至步進(jìn)電機(jī)。

3.3 步進(jìn)電機(jī)的速度控制軟件設(shè)計

改變驅(qū)動模塊CP 信號的頻率來改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變CP 信號的頻率可以通過定時/ 計數(shù)器來實現(xiàn)。先給定時/ 計數(shù)器裝載初置，后使其開始運行，到達(dá)規(guī)定的時間后執(zhí)行中斷程序，此時可將產(chǎn)生CP 信號的程序放在此中斷程序中，就達(dá)到了改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。S52 內(nèi)部的T0 和T1 分別對應(yīng)了兩個步進(jìn)電機(jī)的速度控制，其工作過程如圖二所示。