基于单片机的云台控制系统设计与实现
基于单片机的云台控制系统设计与实现[20200410140745]
摘要
云台内部主要是两台电机控制摄像头，本论文主要介绍单片机对步进电机的控制，该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块组成，并进行相应的软件设计、调试和仿真。系统首先利用protues完成软件硬件的仿真，并在keil下编写单片机控制程序， 在仿真软件下实现对步进电机的控制，然后利用protel完成系统的硬件原理图、PCB图的设计与制作，并最终完成实物的调试。系统最终实现了通过按键改变电机转向的控制，不同的按键代表不同电机不同的转向,并设置自动控制跟人工控制模式。
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关键字:STC12C5A60S2步进电机L298DesignandimplementationofPTZcontrolbasedonMCU
Key Words: STC12C5A60S2，Stepper motor，L298目录
目录 III
1. 引言 1
1.1 设计目的及意义 1
1.2 主要研究内容 1
2. 云台 2
2.1 云台概述 2
2.2 云台内部结构 2
3. 系统方案设计 3
3.1 硬件方案设计 3
3.2 软件方案设计 3
4. 系统硬件设计 4
4.1 电源电路设计 4
4.2 单片机介绍 4
4.2.1 STC12C5A单片机 4
4.2.2 单片机最小系统电路 6
4.3 电机模块 7
4.3.1 步进电机 8
4.3.2 电机驱动 9
4.4 RS485控制电路 11
4.5 按键电路设计 13
4.5.1 按键硬件连接 13
4.5.2 键盘的按键消抖 14
4.6 LED控制电路 14
3.7 程序下载电路 15
5. 软件开发环境 16
6. 系统软件设计 18
6.1 软件总体设计框架 20
6.2 步进电机控制 20
7. 系统测试 22
7.1 系统仿真测试 22
7.1.1 仿真原理图 22
7.1.2 仿真运行效果 22
7.2 实物调试 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录I 原理图 30
附录II 程序 32
1. 引言
1.1 设计目的及意义
随着社会的发展，生活条件的不断提高，人们对安全越来越重视，不论你走到哪都能看见摄像头的身影，摄像头监控拥有良好的发展前景。比如路口的云台代替交警进行24小时监控，大大提高了人们的安全感，也有效地监督了人们遵守交规。
但如今越来越多的人口和地点定点摄像头已经跟不上时代节奏，云台控制就应运而生，它扩大了摄像头的监视范围，增加了灵活性，节省了资源。现如今国内外对于云台控制系统的研究已经相当的成熟，它给我们的生活带来了很大的便利，保障了人们生命安全。现在我们到处都可以看到平台，当需要对一个地方的实时监控，你可以很容易地代替人力的使用，大大减少了人力资源的需求，也可用于远程监控，根据需要，在这种生活可以很方便，大大节省了时间。目前市面上所生产的云台控制器，大都采用一体化设计，这类设计方法拥有密封性能好、集成度高便于安装等优势。
1.2 主要研究内容
本设计是基于该平台的结构和控制要求的分析，设计了一种单片机作为云台控制系统的控制器。该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块组成，并进行相应的软件设计、调试和仿真。其中主要完成的任务如下；
（1）设计单片机外围电路及步进电机驱动电路，驱动云台步进电机运转
（2）输入采用键盘输入，从而控制云台步进电机。
（3）使用Keil uVision2编写软件，在Proteus软件中实现仿真。
预期目标是云台根据指令能够水平360°范围，垂直90°范围内旋转，并设有巡逻监视和定点监视档位。
2. 云台
2.1 云台概述
为了延长监控摄像头云台功能的监测范围，可实现上下及左右转动，监控摄像头安装在顶部，可以实现多角度监控。云台跟摄像机还是有本质区别的，它仅仅是一个特殊的支架，云台是在人为控制下不断的对支架角度进行调整，从而达到延长观测区域的效果。提高了摄像机的使用价值。
云台根据旋转角度可以横向倾斜和全向云台，通过控制线，人们可以远程改变云台摄像头的角度，来达到全方位多角度的监控效果。根据运动功能，工作电压，重量，安装，使用环境分类。[15]
2.2 云台内部结构
云台内部由两台电机构成分别驱动云台的水平和垂直运动 。水平运动 是由一个轴上带有小齿轮 的电机与环行内齿轮 啮合 ，使整个云台 水平旋转；垂直运动是由电动机和齿轮轴垂直固定，与普通齿轮啮合，驱动云台运动。当有上、下运行电压，立式电机旋转，收到的水平动作电压，水平电机转动电机一般都是用直流低压步进电机 （12V或24V），经数字电路 的脉冲控制其转动速度和旋转角 度。[15]
本设计就以两个步进电机代替云台，模拟云台控制，从而达到设计效果。
3. 系统方案设计
3.1 硬件方案设计
系统以STC125A单片机为主控制器，分别连接RJ45驱动电路、步进电机驱动电路、电源电路、按键电路等组成，这些驱动电路分别于单片机的IO口连接，通过单片机软件实现各种操作，从而可以控制云台。系统的硬件设计框图如图3-1所示：
图3-1
3.2 软件方案设计
系统软件设计主要是单片机通过捕捉P0口按键的键值，通过不同的键值在P2口输出控制步进电机的信号，单片机通过串行通信实现了单片机与PC机的远程通信功能，编程语言为单片机C语言，编程环境是集成Keil C51编译器的集成编译环境。
软件的设计应该尽可能的使用模块化，函数化、易于掌握的函数调用，调试方便。[1]具体设计过程及详细内容见第四章。
4. 系统硬件设计
4.1 电源电路设计
电源电路的功能介绍：该电路在整个设计中起着非常重要的作用，是提供设备运行的驱动力。电源设置的输入电压为12V的直流电压，12V的直流电压为电机供电，然后在通过一个7805芯片转换5V提供给主控制器和外围电路的工作。在整个电路中电源部分起到重要的作用，如果电源部分不能实现整个电路都不能运行。
摘要
云台内部主要是两台电机控制摄像头，本论文主要介绍单片机对步进电机的控制，该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块组成，并进行相应的软件设计、调试和仿真。系统首先利用protues完成软件硬件的仿真，并在keil下编写单片机控制程序， 在仿真软件下实现对步进电机的控制，然后利用protel完成系统的硬件原理图、PCB图的设计与制作，并最终完成实物的调试。系统最终实现了通过按键改变电机转向的控制，不同的按键代表不同电机不同的转向,并设置自动控制跟人工控制模式。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC12C5A60S2步进电机L298DesignandimplementationofPTZcontrolbasedonMCU
Key Words: STC12C5A60S2，Stepper motor，L298目录
目录 III
1. 引言 1
1.1 设计目的及意义 1
1.2 主要研究内容 1
2. 云台 2
2.1 云台概述 2
2.2 云台内部结构 2
3. 系统方案设计 3
3.1 硬件方案设计 3
3.2 软件方案设计 3
4. 系统硬件设计 4
4.1 电源电路设计 4
4.2 单片机介绍 4
4.2.1 STC12C5A单片机 4
4.2.2 单片机最小系统电路 6
4.3 电机模块 7
4.3.1 步进电机 8
4.3.2 电机驱动 9
4.4 RS485控制电路 11
4.5 按键电路设计 13
4.5.1 按键硬件连接 13
4.5.2 键盘的按键消抖 14
4.6 LED控制电路 14
3.7 程序下载电路 15
5. 软件开发环境 16
6. 系统软件设计 18
6.1 软件总体设计框架 20
6.2 步进电机控制 20
7. 系统测试 22
7.1 系统仿真测试 22
7.1.1 仿真原理图 22
7.1.2 仿真运行效果 22
7.2 实物调试 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录I 原理图 30
附录II 程序 32
1. 引言
1.1 设计目的及意义
随着社会的发展，生活条件的不断提高，人们对安全越来越重视，不论你走到哪都能看见摄像头的身影，摄像头监控拥有良好的发展前景。比如路口的云台代替交警进行24小时监控，大大提高了人们的安全感，也有效地监督了人们遵守交规。
但如今越来越多的人口和地点定点摄像头已经跟不上时代节奏，云台控制就应运而生，它扩大了摄像头的监视范围，增加了灵活性，节省了资源。现如今国内外对于云台控制系统的研究已经相当的成熟，它给我们的生活带来了很大的便利，保障了人们生命安全。现在我们到处都可以看到平台，当需要对一个地方的实时监控，你可以很容易地代替人力的使用，大大减少了人力资源的需求，也可用于远程监控，根据需要，在这种生活可以很方便，大大节省了时间。目前市面上所生产的云台控制器，大都采用一体化设计，这类设计方法拥有密封性能好、集成度高便于安装等优势。
1.2 主要研究内容
本设计是基于该平台的结构和控制要求的分析，设计了一种单片机作为云台控制系统的控制器。该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块组成，并进行相应的软件设计、调试和仿真。其中主要完成的任务如下；
（1）设计单片机外围电路及步进电机驱动电路，驱动云台步进电机运转
（2）输入采用键盘输入，从而控制云台步进电机。
（3）使用Keil uVision2编写软件，在Proteus软件中实现仿真。
预期目标是云台根据指令能够水平360°范围，垂直90°范围内旋转，并设有巡逻监视和定点监视档位。
2. 云台
2.1 云台概述
为了延长监控摄像头云台功能的监测范围，可实现上下及左右转动，监控摄像头安装在顶部，可以实现多角度监控。云台跟摄像机还是有本质区别的，它仅仅是一个特殊的支架，云台是在人为控制下不断的对支架角度进行调整，从而达到延长观测区域的效果。提高了摄像机的使用价值。
云台根据旋转角度可以横向倾斜和全向云台，通过控制线，人们可以远程改变云台摄像头的角度，来达到全方位多角度的监控效果。根据运动功能，工作电压，重量，安装，使用环境分类。[15]
2.2 云台内部结构
云台内部由两台电机构成分别驱动云台
本设计就以两个步进电机代替云台，模拟云台控制，从而达到设计效果。
3. 系统方案设计
3.1 硬件方案设计
系统以STC125A单片机为主控制器，分别连接RJ45驱动电路、步进电机驱动电路、电源电路、按键电路等组成，这些驱动电路分别于单片机的IO口连接，通过单片机软件实现各种操作，从而可以控制云台。系统的硬件设计框图如图3-1所示：
图3-1
3.2 软件方案设计
系统软件设计主要是单片机通过捕捉P0口按键的键值，通过不同的键值在P2口输出控制步进电机的信号，单片机通过串行通信实现了单片机与PC机的远程通信功能，编程语言为单片机C语言，编程环境是集成Keil C51编译器的集成编译环境。
软件的设计应该尽可能的使用模块化，函数化、易于掌握的函数调用，调试方便。[1]具体设计过程及详细内容见第四章。
4. 系统硬件设计
4.1 电源电路设计
电源电路的功能介绍：该电路在整个设计中起着非常重要的作用，是提供设备运行的驱动力。电源设置的输入电压为12V的直流电压，12V的直流电压为电机供电，然后在通过一个7805芯片转换5V提供给主控制器和外围电路的工作。在整个电路中电源部分起到重要的作用，如果电源部分不能实现整个电路都不能运行。
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