分享基于89C51的攝像鏡頭控制電路設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、監(jiān)控手段，以其信息的豐富性和結(jié)果的直觀性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、產(chǎn)品檢測(cè)、安全監(jiān)控、信息采集等領(lǐng)域。

1 概述

視頻監(jiān)控作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、監(jiān)控手段，以其信息的豐富性和結(jié)果的直觀性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、產(chǎn)品檢測(cè)、安全監(jiān)控、信息采集等領(lǐng)域。其基本工作原理是通過攝像機(jī)采集被監(jiān)視對(duì)象的圖像信息，并傳送到相應(yīng)的終端設(shè)備和控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。在這些系統(tǒng)中，攝像機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量往往是系統(tǒng)應(yīng)用效果的決定性因素，因此必須根據(jù)拍攝現(xiàn)場(chǎng)的條件對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

目前，監(jiān)控系統(tǒng)中采用的攝像機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要分為兩類，一類是具有內(nèi)置鏡頭的一體化攝像機(jī)，另一類是需要選配鏡頭的獨(dú)立攝像機(jī)。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，并且具備多種控制功能，允許用戶直接通過相關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)端控制各項(xiàng)拍攝參數(shù)(包括光圈大小、快門速度、圖像增益、圖像聚焦、變焦等)，運(yùn)用靈活，但是由于其內(nèi)置鏡頭性能的影響，限制了它的使用范圍，在一些環(huán)境特殊或者拍攝要求較高的場(chǎng)合并不適用。而后一類攝像機(jī)可以根據(jù)拍攝現(xiàn)場(chǎng)的需要選配合適的攝像鏡頭，從而滿足各種拍攝需要，但是對(duì)這類攝像機(jī)拍攝參數(shù)的控制相對(duì)困難，尤其是對(duì)光圈、聚焦、變焦等參數(shù)的調(diào)節(jié)必須通過對(duì)鏡頭本身進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)，因此需要額外增加一組攝像鏡頭控制電路來完成這一功能。

本文針對(duì)這一問題，討論了三可變攝像鏡頭的控制方式和控制電路設(shè)計(jì)。

2 攝像鏡頭控制原理

攝像機(jī)鏡頭的主要參數(shù)包括：配套攝像機(jī)CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器，即攝像機(jī)的光感元件)的大小、焦距、光圈、聚焦方式和接口，其中焦距、光圈和聚焦是在拍攝過程中需要精心調(diào)節(jié)的參數(shù)，尤其是光圈大小的調(diào)節(jié)更是攝像機(jī)適應(yīng)光線變化的根本方法。按照攝像機(jī)鏡頭光圈的調(diào)節(jié)方式，鏡頭主要分為自動(dòng)光圈和手動(dòng)光圈兩類。

自動(dòng)光圈鏡頭根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同分為視頻驅(qū)動(dòng)和直流驅(qū)動(dòng)兩種，但是都可以根據(jù)攝像機(jī)成像的亮度，通過鏡頭內(nèi)部電路自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈的大小，從而達(dá)到較好的拍攝效果。這類鏡頭不需要過多的外部控制電路，尤其是視頻驅(qū)動(dòng)自動(dòng)光圈鏡頭，僅需要將攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻圖像模擬信號(hào)接入鏡頭光圈控制端即可。這類鏡頭雖然可以根據(jù)外部光線的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈大小以達(dá)到較好的成像效果，但是由于其調(diào)節(jié)過程對(duì)于外部控制器是不開放的，因此在一些需要系統(tǒng)控制器進(jìn)行特殊控制的場(chǎng)合并不完全適用。另外。目前的高清晰工業(yè)攝像機(jī)往往沒有視頻圖像的模擬輸出，因此使用自動(dòng)光圈鏡頭也存在一些困難。

手動(dòng)光圈鏡頭分為定焦鏡頭、手動(dòng)光圈變焦鏡頭和三可變鏡頭。其中，定焦鏡頭和手動(dòng)光圈鏡頭都需要通過手工調(diào)節(jié)鏡頭的光圈、聚焦等參數(shù)實(shí)現(xiàn)鏡頭的調(diào)節(jié)，因此對(duì)于自動(dòng)工作的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。三可變鏡頭可以通過鏡頭內(nèi)部電機(jī)進(jìn)行光圈、變焦、聚焦的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鏡頭參數(shù)的完全電可控，便于自動(dòng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)端監(jiān)控根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要用程序調(diào)節(jié)鏡頭的拍攝參數(shù)．以滿足特定的拍攝要求。本文主要針對(duì)這一類鏡頭，并以Computar的H6Z0812M型TV ZOOM LENS三可變鏡頭為例討論其控制電路的設(shè)計(jì)。

此鏡頭的控制主要通過在三對(duì)控制信號(hào)線上加載+8 V～+12 V或-8 V～12 V電源實(shí)現(xiàn)。這三對(duì)控制信號(hào)線分別對(duì)應(yīng)光圈、變焦、聚焦參數(shù)的調(diào)節(jié)，而每對(duì)控制信號(hào)的電源極性和存在時(shí)間長(zhǎng)短決定了參數(shù)變化的方向和變化量的大小。例如：在光圈控制端輸入+12 V電源則光圈變大，通電時(shí)間越長(zhǎng)光圈開的越大：反之，輸入-12 V電源則光圈變小。通電時(shí)間越長(zhǎng)則光圈變得越小。本文所討論的鏡頭控制電路主要按照系統(tǒng)終端或計(jì)算機(jī)的控制指令，為三可變鏡頭的三個(gè)輸入端提供具有精確脈沖寬度、正確極性和合適幅度的控制電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制器對(duì)鏡頭參數(shù)的完全控制。

3 三可變鏡頭控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的介紹，可以確定三可變鏡頭的控制電路完成控制功能需要三個(gè)步驟：1)與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收控制指令；2)解析控制指令的內(nèi)容，生成基本控制信號(hào)；3)控制功率電路產(chǎn)生鏡頭控制所需的控制信號(hào)。由于需要完成數(shù)據(jù)通訊和指令解析的功能，本文選擇具有串行通信接口的51系列單片機(jī)89C51為核心設(shè)計(jì)鏡頭的控制電路。電路與上述三個(gè)步驟的工作相對(duì)應(yīng)，分為串行通信電路、中心控制電路、執(zhí)行電路三個(gè)部分。

3.1 串行通信電路

89C51單片機(jī)的串行接口采用了TTL電平方式，即2.4 V以上代表數(shù)字1，0.45 V以下代表數(shù)字0，而一般的標(biāo)準(zhǔn)串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS232則用大于+2V的電壓表示數(shù)字0，用小于-2 V的電壓表示數(shù)字1。因此，89C51與控制計(jì)算機(jī)之間的串行通信接口必須經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)化。一般的方法是采用專用器件(如MAX232等)完成這一轉(zhuǎn)換，但是需要額外提供一組±12 V電源，不利于設(shè)備的安全，另外由于電路只需要接收串行信息，因此本設(shè)計(jì)采用如圖1所示的電路完成電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)串行通信。

當(dāng)RS232傳送數(shù)字“0”時(shí)，TXD和GND之間出現(xiàn)一個(gè)大于+2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側(cè)發(fā)光，二次側(cè)導(dǎo)通，輸出低電平，對(duì)應(yīng)TTL邏輯“0”；當(dāng)RS232傳送數(shù)字“1”時(shí)，TXD和GND之間出現(xiàn)一個(gè)小于-2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側(cè)不發(fā)光，二次側(cè)不導(dǎo)通，輸出高電平，對(duì)應(yīng)TTL邏輯“1”，從而完成了電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)的接收。這一電路不需要額外提供±12V電源，而且能夠避免控制計(jì)算機(jī)與鏡頭控制電路的直接電氣連接，對(duì)于野外應(yīng)用具有更高的安全性。

3.2 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)