两自由度数控云台设计

1两自由度数控云台设计2摘要本文设计了一个两自由度的数控云台，数控云台在闭路电视监控系统中应用广泛。本文简要介绍了数控云台的应用领域、结构特点及传动原理，首先根据数控云台的工作环境、机械指标和主要技术要求进行了详细的分析，拟定了总体的主要技术参数。而后根据设计任务要求，将数控云台的设计分为机械结构部分的设计与控制系统的设计。机械部分的设计采用了步进电机驱动，实现了数控云台水平方向的转动和竖直方向的俯仰运动两个方向的自由度的动作。控制系统采用以单片机为核心的控制系统，控制精度高，编程简单，运行可靠性极高，可满足数控云台的控制要求。该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块、远程控制模块组成，最后，对控制系统的软件程序进行了设计和调试。关键词：数控云台；步进电机；单片机；3目录摘要 .2目录 .31 云台总体结构设计 .41.1 概 述 .41.2 设计任务需求 .61.3 拟定总体方案 .62 云台机械机构设计 .92.1 步进电机的选择 .92.2 传动机构的设计 .112.3 轴的设计 .153 控制系统的设计 .173.1 控制系统总体设计 .173.2 硬件电路设计 .194.3 控制 系统软件设计 .324.4 单片机控制系统源程序 .34总结 .41参考文献 .4241 云台总体结构设计1.1 概述随着科学技术的不断发展，图像通信与监控系统已逐渐普及应用到工农业生产、文化教育、医疗卫生、交通运输管理、水下作业、铁路现场、公安系统等国民经济的各个部门。云台是承载摄像机按照预定方向运动的装置，目前应用的数控云台一般具有水平和垂直两个方向运动的装置，其运动机构一般通过步进电机驱动实现，云台对监控系统的控制起着非常重要的作用。根据云台所使用的环境可分为室内用云台和室外用云台，室内用云台承载能力较小，大约为 1.5kg-7kg 左右，且没有防雨装置。室外用云台一般承载量较大，大约 7kg-50kg 左右，同时具有防雨或防冻装置。摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，用于摄像机与支撑物之间的连接，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就可以通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值。目前应用中的摄像机云台主要有固定云台和电动云台两种类型，固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。而电动云台可以显著扩大摄像机的监视范围，适用于对大范围进行扫描监视。近年来，国内外云台控制技术发展十分迅速，一般有线控制的数控云台，云台的转动是通过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再又解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动 ”端后，云台将带动摄象机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。在电源供电电压方面，目前常见的有交流 24V 和 220v 两种。云台的耗电5功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流 6V 供电的室内用小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。1.2 设计任务需求本次所设计的数控云台具有水平旋转和俯仰运动两个方向的运动，其主要技术指标如下：1）定位精度：230 度；3）最大旋转速度：720 度/分钟4）俯仰角度：60 度5）最大俯仰速度：400 度/分钟6）摄像机质量：#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P10=P10;sbit P11=P11;sbit P12=P12;sbit P13=P13;uchar i,a,flag,u;code tabup=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/俯仰机构步进电机正转 12 相励磁code tabdown=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;/俯仰机构步进电机反转 12 相励磁code tableft=0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80,0x90;/水平旋转步进电34机正转 12 相励磁code tabright=0x60,0x20,0x30,0x10,0x90,0x80,0xc0,0x40;/水平旋转步进电机反转 12 相励磁void control(uchar);void moveauto();void moveup();void movedown();void moveleft();void moveright();void delay(uchar);void init()/初始化TMOD=0x20;/设置定时器 1 为工作方式 2TH1=0xFA;TL1=0xFA;TR1=1;/开启定时器PCON=0x80;SCON=0x50;/9600，n ，8,1EA=1;/开总中断ES=1;/开启串口中断void serial() interrupt 4/串口中断RI=0;a=SBUF;control(a);delay(1);void control(uchar l)/中断控制电机动作35switch(l)case A:moveup();break;case B:movedown();break;case C:moveleft();break;case D:moveright();break;case Z:flag=1;break;default:break;void delay(uint z)/延时uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void moveup()/俯仰机构向上flag=0;if(P10!=1)for(i=0;i8;i+)P2=tabupi;delay(50);36void movedown()/俯仰机构向下flag=0;if(P11!=1)for(i=0;i8;i+)P2=tabdowni;delay(50);void moveleft()/逆时针旋转运动flag=0;if(P10!=1)for(i=0;i8;i+)P2=tablefti;delay(50);void moveright()/顺时针旋转运动flag=0;if(P10!=1)37for(i=0;i8;i+)P2=tabrighti;delay(50);void moveauto()/自动运行P1=0;while(!P10)for(i=0;i8;i+)P2=tabupi; delay(50);while(!P11)for(i=0;i8;i+)P2=tablefti;delay(50);while(!P12)for(i=0;i8;i+)38P2=tabdowni;delay(50);while(!P13)for(i=0;i8;i+)P2=tabrighti;delay(50);void controlkey(uchar i)/按键控制程序switch(i)case 1:moveup();break;case 2:movedown();break;case 4:moveleft();break;case 8:moveright();break;case 16:flag=1;break;default:break;void main()P1=0;flag=0;39init();while(1)if(flag=1)moveauto();/自动运行P0=0xff;u=P0;controlkey(u);40总结本次两自由度数控云台的设计历时 4 个多月，在设计初期，由于对云台产品及结构不了解，笔者查阅了大量的文献资料。数控云台是一个典型的机电一体化产品，本次设计综合了大学四年中所学到的所有理论知识，是将理论知识与工程设计实践相结合的一个过程。本次毕业设计构建了一个完整的数控云台系统，其机械部分由步进电机驱动，其控制系统以单片机为核心，根据设计任务的要求，实现了对步进电机驱动控制的解决方案，初步达到了预期的设计结果。该数控云台系统具有控制方式灵活、控制精度高、功耗小，操作维护方便、可靠性高等特点。通过本次设计，使我掌握了分析问题，根据所学习到的理论知识提出设计方案，再进行详细的设计的设计思路，本次设计最终完成了对两自由度数控云台机械结构的设计和控制系统的设计。通过本次设计，大幅度提高了我的机械制图能力以及使用 C 语言在分析设计需求的基础上编写控制系统程序的能力。通过这次毕业设计也暴露出我在大学中所学知识中存在的问题与不足，欢迎各位读者指正！最后，本次毕业设计的顺利完成是与我的指导老师对我的帮助分不开的，在此，向我的指导老师表示最诚挚的感谢！41参考文献1柴寿楮，安防技术和安防系统J，安防科技,2003 年 9 月 21 日；2杨磊，李峰主编， 闭路电视监控系统 ，机械工业出版社。1999 年；3濮良贵，纪名刚主编， 机械设计第六版，北京，高等教育出版社。2000年；4机床数控原理与系统 ，王润孝，秦现生，西北工业大学出版社，1997 年6 月第 2 版；5孙桓、陈作模主编， 机械原理第五版，北京，高等教育出版社。2000 年；6数控化改造 ，李诚人，清华大学出版社，2006 年 7 月第 1 版；7黄华灿，云台步进控制器J，Radio Engineering ,1999 年第 29 卷第 5 期；8周开勤主编。 机械零件手册第四版，北京，高等教育出版社。1998 年9关振彪编。 机电综合设计指导 ，湛江，湛江海洋大学。2002 年10刘鸿文主编。 材料力学第三版，北京，高等教育出版社。2000 年11李昌坤，李昌龙，何小海.一种新型的智能云台控制系统J. 中国测试技术 ,2005 年 5 月第 31 卷第 3 期；12廖念钊、古莹罨、莫雨松、李硕根、杨兴骏编。 互换性与技术测量第四版，北京，中国计量出版社。2000 年；13马晓湘、钟均祥主编。 画法几何及机械制图第二版，广州，华南理工大学出版社，1998 年;14何立民编著， MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 ，北京，北京航空航天大学出版社，1996.6；15李朝青编著， PC 机及单片机数据通信技术 ，北京，北京航空航天大学出版社，2000.12；16胡乾斌，李光斌主编， 微型计算机原理与应用 ，武汉，华中科技大学出