（机械工程专业论文）数控逐格拍摄系统设计与开发.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2s c h o o lc o d e ： s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ： s t u d e n tn u m b e r ：0 7 4 3 0 3 9 0 315 s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r s t h e s i s d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f c n c s t o p - m o t i o na n i m a t i o n p h o t o g r a p h ys y s t e m c a n d i d a t e ：s u ny u f e n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f f e n gx i a n y i n g s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l2 0 ，2 0 1 0 嫩 胖 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃师签名：地期： 矽f0 牛加 目录 目录 摘要i d l b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 逐格拍摄系统研究的背景及意义1 1 2 逐格拍摄系统的研究现状2 1 3 本课题的来源及意义2 1 4 本课题的主要研究内容3 第2 章数控逐格拍摄系统技术方案设计4 2 1 系统工作原理与参数4 2 2 系统总体设计方案5 2 2 1 机械部分的设计方案5 2 2 2 控制系统的硬件设计方案实现6 2 2 3 控制系统的软件设计方案实现6 2 3 本章小结7 第3 章系统机械部分设计8 3 1 系统机械部分的设计方案8 3 2 传动系统设计方案8 3 2 1 传动系统方案论证8 3 2 2 传动系统误差分析1 0 3 2 - 3 传动系统零部件选择1 3 3 3 快速装配部件的设计1 8 3 3 1 机头部分设计1 8 3 3 2 底座的设计18 3 3 3 夹紧部件设计19 山东入学硕仁学位论文 3 3 4 尾座设计2 0 3 4 本章小结2 l 第4 章单片机控制系统硬件设计2 2 4 1 控制系统的硬件总体设计方案2 2 4 2 步进电机的控制方案实现2 2 4 2 1 步进电机的选择2 2 4 2 2 步进电机的设计计算2 3 4 2 3 步进电机驱动器的选择2 4 4 2 4 步进电机的控制2 5 4 3a t 8 9 c 5 5 单片机系统。2 7 4 3 1 单片机的选择2 7 4 3 2 片外r o m 扩展电路。3 0 4 3 3 键盘电路设计3l 4 3 4l c d 显示电路设计3 4 4 3 5 时钟电路3 6 4 3 6 控制脉冲输出电路3 7 4 3 6 电源电路3 8 4 4 本章小结3 8 第5 章单片机控制系统软件设计3 9 5 1 控制系统软件设计原则3 9 5 2 控制系统软件设计方案3 9 5 2 1 系统初始化流程4 0 5 2 2 键盘管理程序4 0 5 2 3l c d 显示程序4 1 5 2 4 日期时钟程序4 1 5 2 5 步进电机控制程序4 2 5 2 6 其他模块控制程序4 3 目录 5 3 本章小结4 3 第6 章系统实验与仿真4 4 6 1 机械部分的安装调试4 4 6 2 硬件系统的制作4 4 6 3 系统的调试一4 7 6 3 本章小结4 8 结论与展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间科研成果5 3 致谢5 4 山东人学硕l j 学位论史 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t o p m o t i o na n i m a t i o np h o t o g r a p h y s y s t e m 1 1 2t h er e s e a r c hs t a t u so ft h es t o p m o f i o na n i m a t i o np h o t o g r a p h ys y s t e m 1 1 3t h es o u r c ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i si s s u e 2 1 4t h em a i nr e s e a r c ht o p i c s 3 c h a p t e r2d e s i g nt e c h n o l o g yo f t h es t o p - m o t i o na n i m a t i o np h o t o g r a p h ys y s t e m 4 2 1w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r so f t h es y s t e m 4 2 2o v e r f l ld e s i g ns c h e m e 4 2 2 1d e s i g no f m e c h a n i c a lp a n s 4 2 2 2t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m 6 2 2 3c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 6 2 3t h es u m m a r y 7 c h a p t e r 3m e c h a n i c a lp a r t so ft h es y s t e md e s i g n 8 1 i 1s y s t e md e s i g ns c h e m eo f m e c h a n i c a lp a r t s 8 3 2t r a n s m i s s i o ns y s t e m sd e s i g n 8 3 2 1t h es o l u t i o n so f t r a n s m i s s i o ns y s t e m 8 3 2 2t h ea n a l y s i so f t r a n s m i s s i o ns y s t e me r r o r 1 0 3 2 3t h es e l e c t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mc o m p o n e n t 13 3 3q u i c k a s s e m b l yp a r t sd e s i g n 1 8 3 3 1t h en o s es e c t i o nd e s i g n 1 8 3 3 2b a s ed e s i g n 18 3 3 3c l a m p i n gp a r t sd e s i g n 1 9 3 3 4t a i lb l o c kd e s i g n 2 0 山东大学硕i ：学位论文 3 4t h es u m m a r y 2 1 c h a p t e r 4s i n g l e c h i pmh a r d w a r ed e s i g n 2 2 4 1c o n t r o ls y s t e mo f t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo f h a r d w a r e ，2 2 4 2s t e p p i n gm o t o rc o n t r o ls c h e m e 2 2 4 2 1t h ec h o i c eo fs t e p p e rm o t o r 一2 2 4 2 2d e s i g na n dc a l c u l a t i o no fs t e pm o t o r 2 3 4 2 3t h ec h o i c eo fs t e p p i n gm o t o r d r i v e r 2 4 4 2 4s t e p p e rm o t o rc o n t r o l 2 5 4 3a t 8 9 c 5 5m c us y s t e m 2 7 4 3 1m c us e l e c t i o n 2 7 4 3 2e x p a n s i o nr o mc i r c u i t 3 0 4 3 3k e y b o a r dc i r c u i t 3 1 4 3 4l c d d i s p l a y c i r c u i t 3 4 4 3 5c 1 0 c kc i r c u i t 3 6 4 3 6c o n t r o lp u l s eo u t p u tc i r c u i t 3 7 4 3 7p o w e tc i r c u i t 3 8 4 4t h es u m m a r y 3 8 c h a p t e r 5m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 3 9 5 1c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g np r i n c i p l e s 3 9 5 2c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 3 9 5 2 1s y s t e mi n i t i a l i z a t i o np r o c e s s 4 0 5 2 2k e y b o a r dm a n a g e m e n tp r o g r a m 4 0 5 2 3l c dd i s p l a yp r o g r a m 4 1 5 2 4d a t e c l o c kp r o g r a m 4 1 5 2 5s t e p p i n gm o t o rc o n t r o lp r o g r a m “4 2 5 2 6o t h e rm o d u l ec o n t r o lp r o c e d u r e s 4 3 5 3t h es u m m a r y ”4 3 c h a p t e r6e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ns y s t e m 4 4 c o n t e n t s 6 1m e c h a n i c a lp a r t sa s s e m b l y 4 4 6 2p r o d u c t i o no f h a r i 小w a r es y g e m 4 4 6 3s y s t e md e b u g g i n g 4 7 6 3t h es u m m a r y 4 8 c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e s 5 0 r e s e a r c hr e s u l t sd u r i n gam a s t e r sd e g r e e 5 3 t h a n k s 5 4 山东大学硕士学位论文 摘要 摘要 逐格画面拍摄技术在自然和野生动物影片拍摄中被广泛的使用，而逐格摄影设备是 拍摄精彩的逐格画面的关键。目前，用于拍摄逐格画面的摄影设备有逐格摄像机和数码 相机，使用逐格摄像机配以专门的配件能实现固定逐格画面、直线逐格画面、旋转逐格 画面的拍摄，但是拍摄成本高；使用数码相机拍摄逐格画面，拍摄成本低，但是只能实 现固定逐格画面的拍摄，因此，本文针对上述问题设计开发了一种基于单片机控制的机 电产品数控逐格拍摄系统。 首先，本文通过对逐格拍摄的原理方法和逐格摄影设备不足之处的分析，提出了对 新系统的设计要求，并在此基础上完成了基于单片机控制的系统总体方案设计；其次， 对系统的机械部分设计作了详细的介绍。传动系统采用基于同步带的线性驱动系统，实 现了底层运动部件的运动并保证了需要的运动精度。随后，基于步进伺服驱动技术开发 了单片机为主控制器的数控逐格拍摄控制系统，对其中主要模块的电路进行详细的设计。 最后，给出了本系统软件控制的开发流程。通过单片机及配套电路和程序，实现对系统 底层运动部件步进电机和整个系统管理功能的控制，并搭建了良好的人机对话界面。 通过对样机的实验表明，研制的数控逐格拍摄系统工作稳定、可靠，满足了功能设 计要求和精度要求，实现了预期目标。 关键词：逐格摄影法；机械设计；单片机；步进电机； 山东火学硕十学化论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t o p m o t i o na n i m a t i o ni sw i d e l yu s e di nt h en a t u r ea n dw i l d l i f ef i l m s ，a n ds t o p m o t i o n a n i m a t i o np h o t o g r a p h ye q u i p m e n ti st h ek e yo n et ot a k et h ew o n d e r f u lp i c t u r e s p h o t o g r a p h y e q u i p m e n t so fs t o p - m o t i o na n i m a t i o ni n c l u d ef r a m ec a m e r ae q m p m e n ta n dd i g i t a lc a m e r a s u s i n g as p e c i a lc a m e r aa c c e s s o r i e sc a na c h i e v eaf i x e df r a m eb yf r a m e ，l i n eb yf r a m e s ， r o t a t i n gf r a m e sb ys h o o t i n g ，b u tc o s th i g h ；u s e db yd i g i t a lc a m e r af r a m e s c o s t sl o w , b u to n l y a c h i e v eaf i x e db yf l a m e so ff i l m a i ma tt h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n e l e c t r i c a lp r o d u c t sb a s e do nm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lo fm e c h a n i c a l - c n cv i d e ot i m e c o m p r e s s i o ns y s t e m f i r s t ，t h r o u g ht h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d ，a n d - f r a m ea n a l y s i so f t h ei n a d e q u a c i e so f e q u i p m e n to ff r a m eb yf r a m e ，p r o p o s e dt h en e ws y s t e m sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n d o nt h i s b a s i s ，t h ec o m p l e t i o no ft h eo v e r a l ls y s t e mc o n t r o lb a s e do ns i n g l ec h i pd e s i g n i nt h es e c o n d p a r t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h em e c h a n i c a lp a r td e s i g n d e s i g n i n ga l i n e a ra c t u a t o rt h a tb a s e do n s y n c h r o n o u sb e l td r i v ea n dg u a r a n t e e i n gag o o da c c u r a c yo fm o v e m e n tb yt h em e c h a n i c a l p a r t sa n dc o m p o n e n t s t h e n ，t h r o u g ht h em o v i n gp a r t so f t h es t e p m o t o rw o r k i n gp r i n c i p l e ， u s i n gs c m a sam a i nc o n t r o l l e rt op u tf o r w a r dt h ec n cs t o p m o t i o na n i m a t i o np h o t o g r a p h y s y s t e ma n db a s e d o nt h i s ，t h em a i ns p e c i f i cd e s i g n so ne l e c t r i c a lc i r c u i t si ne v e r ym o d u l ew i l l b ef o l l o w e d f i n a l l y , i ti l l u s t r a t e st h es t e p so fh o wt od e v e l o pt h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e m a n dp r o g r a m m e dd e s i g n t h r o u g ht h em c ua n ds u p p o r t i n gc i r c u i t r ya n dp r o c e d u r e s ， i m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mu n d e r l y i n gm o v i n gp a r t s s t e p p e rm o t o ra n dc o n t r o lt h ee n t i r e s y s t e mm a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，a n db u i l tag o o dm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c e e x p e r i m e n t so nt h ep r o t o t y p es h o wt h a tt h ed e v e l o p e dc n c v i d e ot i m ec o m p r e s s i o n s y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，m e e tt h ef u n c t i o n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dp r e c i s i o n ，a n d a c h i e v et h ed e s i r e do b je c t i v e s k e yw o r d s ：f l a m em e t h o d ；m e c h a n i c a ld e s i g n ；s c m ；s t e p p i n gm o t o r i i i a b s t r a c t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 逐格拍摄系统研究的背景及意义 自然界中的一些自然现象，如花开花谢、日出日落、幼芽出土、小鸡出壳等 都要经历漫长的过程，如果要把它们完整地记录下来，并在时间有限的影片中展 现出来【l 】，使用常规的拍摄方法显然是不可能实现的。因为这些自然现象过程缓 慢，不可能按自然速度表现，需要采用逐格摄影技术，把实际需要几星期、几个 月才能完成的过程压缩成几秒钟、十几秒钟在银幕上予以表现 2 1 。例如：用逐格 摄影表现一天中光线的流动，光影会渐渐遮掩了景物，又慢慢地露出景物，把不 同时间中景物的受光情况浓缩强化出来。用逐格摄影表现日出，太阳在顷刻之间 就跃出了地平线。用逐格摄影表现植物生态的变化，不论是种子发芽，还是鲜花 开放，都能在短短几秒钟内再现景物发展变化的全过程。这种摄影特技通过对时 间的压缩，形成了一种源于生活、高于生活的艺术效果，被广泛应用于广告、影 视制作中。 逐格摄影是指摄像机以一定的时间间隔对某一事物的运动变化过程进行逐 个画面拍摄，每幅拍摄画面的时间间隔根据主题表现需要而定，短则1 秒或数秒 钟，长则几分钟、几十分钟，甚至几个小时，拍摄完成后，当屏幕以2 4 格秒的 速率将一幅幅画面连续放映出来时，这种经长时间拍摄记录的事物渐变变化过程 被高度浓缩，呈现出明显的变化态势和较强的动感【3 j 。 逐格摄影设备是是拍摄精彩的逐格画面的关键。目前应用比较广泛的是使用 带控制器的逐格摄影机来拍摄逐格画面，但是随着技术的发展，数码相机也可用 来用来拍摄逐格画面。使用数码相机拍摄逐格画面，拍摄成本低，而且随着数码 相机像素的提高，数码相机拍摄的画面完全可以达到h d ( h i g hd e f i n i t i o n ) 的质 量。但是使用数码相机拍摄逐格画面没有专门的配套设备，因此拍摄时无法实现 移动的逐格画面拍摄，使其应用范围受到限制，没有被广泛使用。本文将针对上 述问题进行数控逐格拍摄系统的研制，提出一种新的数码相机逐格拍摄的控制方 案，克服数码相机拍摄逐格画面缺点，使其完成更高难度的移动逐格拍摄特效。 山东人学硕1 ：学位论文 1 2 逐格拍摄系统的研究现状 逐格拍摄系统随着逐格画面的广泛应用而得到不断的发展。最早的逐格拍摄 是手工操作逐格拍摄，即在普通摄影机前加置帘幕快门，用手工控制，隔一段时 间拍一格。随着逐格摄影技术的应用越来越广泛，而手工操作逐格拍摄有许多不 便。于是，研制出机械控制逐格摄影控制器，把逐格摄影机与照明灯光的电源开 关联接在控制器上，控制器按照内容要求隔一段时间接通一次电源，灯光自动打 开，摄影机自动拍摄一格。这就避免了人工可能造成的误差，减轻了摄制人员劳 动强度。后来，又运用集成电路研制成功电子控制逐格摄影控制器。这种控制器 改变了过去机械控制器使用交流电源的局限，改用空心杯转子永磁式直流微型电 机或直流步进电机作动力，使逐格摄影能够在没有交流电源的外景地进行。其控 制器在性能上比机械控制器进一步提高，重量上也减轻许多【4 1 。目前，逐格拍摄 系统大都采用电子逐格摄影控制器和逐格摄影机拍摄配以专业配件如三脚架、移 动拍摄及稳定系统( 轻型导轨、轨道滑车、摄像机稳定器等) 来实现各种逐格画 面的拍摄，使用方便，稳定可靠，能够得到高质量的逐格画面。但是这种拍摄系 统价格昂贵，一般一台逐格摄像机要几百万元。随着数码技术的发展，数码相机 也可用来用来拍摄逐格画面。现在很多数码相机都有了间隔拍摄的功能，只要设 定好间隔拍摄时间，连续拍摄几百或几千幅照片，然后把这些照片在后期通过软 件合成连接起来，就成为连续的逐格画面【5 】。使用数码相机拍摄逐格画面，拍摄 成本低，而且随着数码相机像素的提高，数码相机拍摄的画面完全可以达到h d ( h i g hd e f i n i t i o n ) 的质量。但是，目前数码相机没有用于逐格拍摄的专业配件， 仅能实现简单的逐格画面的拍摄。 1 3 本课题的来源及意义 本课题来源于山东东方天健公司提出的“数控影像时间压缩系统”。为了控 制拍摄成本，同时实现高质量的逐格拍摄，该公司要求设计一种自动化辅助拍摄 系统，使用数码相机在野外拍摄固定和移动的逐格画面。因该系统主要用于实现 逐格拍摄这种能呈现时间压缩效果的拍摄特技，故命名为“数控影像时间压缩系 统”。 2 第l 章绪论 该系统应满足以下要求： l 、拆装方便，便于运输。因为拍摄地点不固定，需要经常变更，所以要求 该系统重量轻，组装、拆卸方便，零部件尺寸应满足航空运输的条件。 2 、能够实现移动逐格拍摄对重复定位精度的要求。 3 、系统应设有手动和自动两种控制方式。手动控制方式下，可控制数码相 机的直线移动、旋转移动和快门动作；可设定镜头长度。自动控制方式下，在设 置直线步长、旋转步长和快门时间等参数后，可实现拍摄过程的自动化。 4 、系统能实现p l a 、n t s c 、电影胶片三种拍摄制式的转换，能根据设定 的镜头长度，自动将时间转换为拍摄格数。 5 、系统应具备记忆功能，能自动记忆数码相机拍摄起始点。可存储多个拍 摄程式。 6 、系统应具有良好的人机对话界面，操作简单方便。 根据上述要求，本课题的研究目的在于设计出一种自动化拍摄系统，能够有 效解决现阶段移动逐格拍摄的几点不足，其意义在于：第一，为移动逐格拍摄提 供一种科学有效的方案，保证移动逐格拍摄的效果：第二，降低移动逐格拍摄的 难度，使移动逐格拍摄这种拍摄特效能够被摄影工作者轻松掌握；第三，降低逐 格拍摄的成本，使使逐格拍摄这种拍摄特效能够广泛的应用于影片的制作。： 1 4 本课题的主要研究内容 本文的主要研究内容是通过研究逐格拍摄原理，设计一种基于单片机的新型 移动逐格拍摄系统，包括系统的机械结构设计和控制部分设计。 论文研究的具体内容： l 、系统的机械部分设计。包括总体结构设计方案和零部件的选型和设计。 2 、基于单片机的控制系统硬件设计。包括单片机与键盘及液晶显示的硬件 接口以及周围相应的电路设计。 3 、基于单片机的控制系统软件设计。包括单片机对键盘的初始化及控制、 对液晶显示的控制、对步进电机的控制及整个系统运行的管理控制软件设计。 4 、完成系统机械部分的组装，使用电路设计软件( 如p r o t e l 等) 绘制电 路图，并在此基础上完成电路板设计、加工、焊接工作；最后完成整机调试。 山东大学硕f ：学位论文 第2 章数控逐格拍摄系统技术方案设计 2 1 系统工作原理与参数 本系统用数码相机来拍摄逐格画面，可实现固定和移动逐格画面的拍摄，现 将数码相机拍摄逐格画面的工作原理介绍如下： 逐格画面的拍摄工作原理：首先设置镜头长度，根据镜头长度按拍摄制式计 算出拍摄格数，接着设定数码相机的步长、快门速度。然后从起点开始，控制快 门动作即可完成一个逐格画面的拍摄。在一个逐格画面拍摄结束后，数码相机移 动一个步长，再进行相同的操作，重复该过程，完成这条镜头逐格画面的拍摄。 如果是固定逐格拍摄，则步长为o ，即数码相机固定在一个位置不动；如果 是直线逐格拍摄，则需设定步长，在起始位置，按下快门拍摄，运动一个步长距 离后，再按下快门拍摄，然后重复完成该过程。如果是旋转逐格拍摄，也需要设 置步长，此时的步长为数码相机拍摄两张照片时的角度。根据不同的拍摄要求， 步长可以是相等的，也可以设定为不相等，从而可以呈现不同的镜头效果。 以拍摄直线逐格画面为例，设镜头长度为1 秒，采用电影胶片制式，则经计 算后拍摄格数为2 4 格，设直线步长均为2 厘米，拍摄间隔时间均为2 0 秒，快门 速度为o 1 秒。拍摄过程如下：数码相机移动至起点，拍摄1 张画面；间隔2 0 秒后，直线移动一个步长的距离，拍摄一张画面移动至4 8 厘米处，拍摄最 后一张画面。这些画面在后期通过软件合成连接起来，就成为连续的逐格画面。 逐格画面拍摄时，要注意两个问题。其一，拍摄每一格画面的机位应保持一致， 即重复定位精度要高；其二，在拍摄时间跨度比较小时，时间间隔必须均匀。 根据后期处理的需要，这些画面可拍摄一次，也可重复拍摄多次，在重复拍 摄时，要求跟第一次拍摄时的步长保持一致。由此可见，拍摄移动逐格画面的关 键在于系统对重复定位精度的控制。 根据逐格拍摄的工作原理和绪论所述的设计要求，制定了本系统的参数如 下： 4 零部件尺寸： 零部件重量： 直线逐格拍摄步长分辨率： 长+ 宽+ 高15 8 c m 一 3 2 k g 0 0 5 c m 第2 章数控逐格拍摄系统技术方案设计 直线逐格拍摄步长增量分辨率： o 0 5 c m 旋转逐格拍摄步长分辨率： o 0 1 。 旋转逐格拍摄步长增量分辨率：0 0 1 。 重复定位精度：0 0 5 c m 格。 直线逐格拍摄长度：1 5 m 旋转逐格拍摄角度：0 。一3 6 0 。 系统存储程序个数： 3 6 2 2 系统总体设计方案 通过对逐格画面的拍摄过程的分析，数控逐格拍摄系统可分为两部分进行设 计：机械部分和控制部分。其总体方案如图2 1 所示。 图2 - 1 系统总体方案框图 下面对系统各个部分的设计方案分别进行说明： 2 2 1 机械部分的设计方案 机械部分是系统底层运动的实现部分，在本系统中机械部分实现数码相机的 直线运动和旋转运动，使其能满足移动逐格拍摄要求。 机械部分采用类似的机床的总体结构，根据对逐格拍摄工作原理的分析，系 统对直线移动的重复定位精度要求比较高，据此设计了由精密电控旋转台、导轨 和同步带构成的传动系统。针对系统的使用者为摄像工作者，设计的零部件均按 照便于组装的原则设计。考虑到设备经常需要飞机托运，根据飞机托运的重量和 尺寸要求，系统的大部分零部件采用重量较轻的铝材，对于长度较大的导轨和底 座，采用分组结构，将其分成5 组，每组长1 1 m 。 山东大学硕十学位论文 2 2 2 控制系统的硬件设计方案实现 控制部分采用以单片机为核心的设计方案，包括控制系统外围电路( 存储器 的扩展电路、键盘电路、显示电路、时钟电路接口) 的设计和步进电机脉冲输出 电路设计和软件实现。搭建了良好的人机对话界面，实现对系统底层运动部件( 步 进电机) 和整个系统管理功能的控制。 由a t 8 9 c 5 5 构成的控制系统硬件结构如图2 2 所示。 步进电机驱动器 步进电机驱动器单片机系统 卜_ 一 拍摄设备 图2 - 2 控制系统硬件方案框图 该电路采用最小化控制系统常用的方案，采用典型电路结构，系统外部扩展 存储容量为8 k 的2 8 6 4 e 2 p r o m 存储器，采用专门的时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 实现定 时、时间显示控制，采用8 2 7 9 控制键盘输入，使用2 4 0 1 2 8 字符点阵模块的液 晶显示器作为显示输出。采用单片机端口直接控制步进电机和数码相机快门。 2 2 3 控制系统的软件设计方案实现 控制系统的软件设计主要包括对系统底层运动部件( 步进电机) 和整个系统 管理功能的控制。本系统采用单片机端口直接输出步进电机控制脉冲的方法，在 端口资源足够的情况下这样做省却了外部脉冲分配电路，大大简化了硬件，降低 了成本，软件的编写也变得相对容易。 程序流程图的设计遵循自项向下的原则，即从主体逐步细分到每一个模块的 流程。本系统的软件设计主要分为主程序、键盘处理、显示处理及控制脉冲输出 几部分，采用键盘监控方式，即从键盘上接收命令，按照给定的键值散转到相应 的功能进行处理【引。 6 第2 荜数控逐格拍摄系统技术方案设计 2 3 本章小结 本章介绍了逐格拍摄的工作原理，并据此设置了系统的参数，在此基础上提 出了系统的总体设计方案，总体方案由机械部分和基于单片机的控制部分组成。 机械部分由精密电控旋转台、同步带和导轨构成直线传动系统，满足了系统对重 复定位精度的要求，整体结构设计、零部件的设计均按结构紧凑、便于组装的原 则设计。基于单片机的控制系统包括外围电路( 存储器的扩展电路、键盘电路、 显示电路、时钟电路接口) 的设计和步进电机脉冲输出电路设计和软件实现。 山东大学硕l 二学位论文 第3 章系统机械部分设计 3 1 系统机械部分的设计方案 机械部分作为底层运动部件的实现部分，其质量和性能直接影响着逐格拍摄 画面质量的好坏。本系统中机械部分的主要功能是实现数码相机的直线运动和旋 转运动。根据对数码相机运动的分析，该运动为间歇性运动，要求重复定位精度 高。因此传动系统的设计是机械部分设计的关键，决定着系统运动部件的执行情 况。 系统的总体结构如图3 1 所示。传动系统采用同步带传动方式，由两台步进 电机提供动力，一台控制数码相机的直线运动，一台控制数码相机的旋转运动。 控制直线运动的步进电机经精密电控旋转工作台的蜗轮蜗杆降速后，带动同步带 轮主动轮；同步带与导轨平行布置，由央紧部件连接置于导轨滑块上的工作台和 同步带；在同步带的带动下，工作台做直线移动；工作台上固定拍摄设备，实现 直线移动的逐格画面拍摄。控制旋转运动的步迸电机经精密电控旋转工作台的蜗 轮蜗杆降速后，带动工作台上的拍摄设备作旋转运动，实现旋转的逐格画面拍摄。 1 、从动轮 2 、同步带3 、夹紧部件 4 、主动轮 5 、机头部分6 、工作台 7 、底座8 、导轨9 、尾座 图3 - 1 机械部分总体结构示意图 现将各部分的设计分别叙述如下： 3 2 传动系统设计方案 3 2 1 传动系统方案论证 传动系统是本系统运动的核心，它决定机械部分的运动和功能，这部分功能 第3 章系统机械部分设计 实现的质量好坏决定了整个设备的精度指标和工作性。根据系统设计要求，工作 台的移动主要为线性运动，要求重复定位准确，但是移动速度低。根据上述要求， 设计如下两种设计方案； 方案l ：此方案采用滚珠丝杠副作为线性驱动器。步进电机通过联轴器与丝 杠实现柔性连接，将旋转运动通过丝母转换为直线运动，由丝杠带动工作台移动，一 该传动方案钢性较好，可以传递较大扭力，定位准确。尽管滚珠丝杠已实现了标 准化并由专业厂家大量生产，技术上较为成熟，但随着应用条件的不同，其可能 产生较大的运动定位误差【7 棚，而且本课题要求便于运输，如选用5 米长的丝杠 实现设计要求，则运输不便；如采用5 根丝杠( 均为l 米) 连接成5 米的丝杠， 则工作台在连接部分