基于單片機(jī)的紅外遙控監(jiān)控?cái)z像頭裝置設(shè)計(jì)

夏 凡，王 粟，汪 峰

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

1 系統(tǒng)的工作原理

1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為28BYJ48的步進(jìn)電機(jī)，它是四相八拍永磁式減速電機(jī)，步距角度為5.625／64，減速比為1∶64，定位轉(zhuǎn)矩大于或等于300Nm［1］.本設(shè)計(jì)通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的.

由于步進(jìn)電機(jī)不能直接采用直流或者普通交流供電，必須采用專門(mén)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器基本原理見(jiàn)圖1，由脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、反饋與保護(hù)單元組成.

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制基本原理框圖

綜合28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用四只9012的三極管，共集電極安放，將MC0－3電平反向輸出，以此增強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力，具體原理圖如下：

當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng).每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（一個(gè)步距角）.步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的指令個(gè)數(shù)

其中m＝8，即可以得到S′＝4096.

那么旋轉(zhuǎn)一度所需要的指令數(shù)為4096／360，要旋轉(zhuǎn)N度，所需要的指令數(shù)

通過(guò)式（1）和式（2），達(dá)到準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的目的.

圖2 步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距.四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見(jiàn)的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A－B－C－D－A…），雙（雙相繞組通電）四拍（ABBC－CD－DA－AB…），八拍（A－AB－B－BC－C－CD－D－DA－A…）.驅(qū)動(dòng)方式見(jiàn)圖3.

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

由運(yùn)行人員通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)控制兩個(gè)不同平面的步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)機(jī)械耦合連接到監(jiān)控?cái)z像頭上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)帶動(dòng)其監(jiān)控?cái)z像頭的相應(yīng)旋轉(zhuǎn).

具體而言，就是通過(guò)紅外通信遙控器和按鍵輸入器件，控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并由LED顯示出步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)兩個(gè)不同平面的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，監(jiān)控?cái)z像頭會(huì)在三維空間中任意角度旋轉(zhuǎn)；同時(shí)合理控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使監(jiān)控?cái)z像頭勻速或加速度旋轉(zhuǎn)；預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，讓運(yùn)行人員自定義監(jiān)控?cái)z像頭的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，達(dá)到監(jiān)控?cái)z像頭定時(shí)旋轉(zhuǎn)的效果.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4.

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

在清楚了解整個(gè)系統(tǒng)的原理后，即可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有下面內(nèi)容：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊，LED顯示模塊，紅外遙控模塊，按鍵輸入模塊，攝像頭組裝模塊等.

2.1 單片機(jī)控制模塊

以STC89C51高性能CMOS 8位單片機(jī)為核心器件，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB Flash存儲(chǔ)器，256BRAM，32位I／O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路［1］，它使用高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，按照設(shè)計(jì)原理一般化設(shè)計(jì)，不再贅述.

2.2 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用的LCD是1602字符液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16字、2行即32個(gè)字符.

由于硬件設(shè)計(jì)原因，該處I／O比較緊缺，故將P1口左側(cè)的JP14跳線跳帽到Motor一側(cè)（左側(cè)），LCD模塊的ADDR0到ADDR3四個(gè)口需要用杜邦線引出來(lái)，連接相對(duì)應(yīng)的P3.0，P3.1，P3.2和P3.5口，以使LCD正常工作.

圖5 顯示譯碼與步進(jìn)電機(jī)的選擇接口

2.3 紅外遙控模塊

采用HS0038作為紅外遙控接收端，HS0038是一個(gè)集紅外線信號(hào)接收和放大為一體的三端元器件，其中心接收頻率為38kHz，3個(gè)引腳分別為：1—地，2—電源，3—數(shù)據(jù)輸出.當(dāng)接收到38kHz的紅外信號(hào)時(shí)，輸出端為低電平；沒(méi)有接收到38kHz的紅外信號(hào)時(shí)，輸出端為高電平.HS0038的具體硬件電路見(jiàn)圖6.

圖6 HS0038的硬件電路

2.4 按鍵輸入模塊

由于系統(tǒng)中的其他模塊對(duì)端口占有不多，所以在鍵盤(pán)連接上采用每一排按鍵組成獨(dú)立式按鍵進(jìn)行控制，共4排獨(dú)立式按鍵形成了矩陣按鍵（圖7）.

本設(shè)計(jì)采用軟件去斗，即檢測(cè)出鍵閉合后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，產(chǎn)生5～10ms的延時(shí)，讓前沿抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為真正有鍵按下［2］.

圖7 按鍵電路

2.5 攝像頭組裝模塊

攝像頭組裝就是用來(lái)使監(jiān)控?cái)z像頭與兩個(gè)不同平面上的步進(jìn)電機(jī)機(jī)械連接的部分.具體處理辦法是在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上套裝一個(gè)齒輪套，該齒輪套與一個(gè)帶齒輪的支柱相嚙合，再將該支柱與監(jiān)控?cái)z像頭底座齒輪組相嚙合［3］，由此，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)左右旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭底座齒輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到監(jiān)控?cái)z像頭自由旋轉(zhuǎn)的目的.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言模塊化結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì).隨著代碼量不斷加大，將所有代碼放在同一個(gè)C文件中使得程序結(jié)構(gòu)混亂，可讀性和可移植性較差，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠有效解決此類問(wèn)題.

仿真系統(tǒng)的程序在KEIL C51Vision3環(huán)境下編譯.程序主要包括：數(shù)據(jù)讀取程序、正反轉(zhuǎn)判斷程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和紅外遙控解碼程序（圖8）.

圖8 主程序流程圖

程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別將紅外DS1302、1602、蜂鳴器等程序模塊進(jìn)行封裝，等待主函數(shù)的調(diào)用.從圖9中可以看出，單片機(jī)上電工作后，LCD顯示初始狀態(tài)信息平臺(tái)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器0子程序和控制紅外解碼的外部中斷1子程序等待相應(yīng)指令.首先在主函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化過(guò)程，設(shè)置定時(shí)器0的初始值、顯示LCD初始態(tài)等，當(dāng)按鍵或紅外遙控輸入信號(hào)時(shí)，定時(shí)器0中斷子程序進(jìn)行運(yùn)行，對(duì)T0進(jìn)行重裝初值，不停的統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)滿足相關(guān)條件后，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，程序運(yùn)行代碼如下：

void motor＿onoff（）interrupt 1

｛

TL0＝0x33；

TH0＝0xf5；

q＋＋；

if（q＜rate）

｛return；｝

else

｛q＝0；

number＋＋；｝／／脈沖計(jì)數(shù)

if（number＝＝4096）／／64個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈｛snum－－；

number＝0；

number1＋＋；｝／／電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)

if（direction＝＝1）／／方向標(biāo)志

｛if（v＜8）

｛P1＝ FFW［v］；v＋＋；｝／／取數(shù)據(jù)，正轉(zhuǎn)

if（v＝＝8）

｛v＝0；｝

｝

else

｛if（v＜8）

｛P1＝ REV［v］；v＋＋；｝／／取數(shù)據(jù)，反轉(zhuǎn)

if（v＝＝8）

｛v＝0；｝

｝

｝

在外部中斷1子程序中，通過(guò)紅外遙控接收器獲取紅外信號(hào)，再通過(guò)紅外解碼程序進(jìn)行紅外通信的解碼，將所獲取的鍵碼值存入相關(guān)數(shù)組，等待主程序的調(diào)用［4］.

在運(yùn)行主程序中，通過(guò)預(yù)設(shè)判斷是否滿足四種條件要求，如果滿足進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；如果不滿足，則直接返回到等待獲取紅外程序，繼續(xù)等待.

圖9 中斷子程序流程圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于51單片機(jī)紅外遙控監(jiān)控?cái)z像頭的方案，將在不同平面上的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)機(jī)械組裝從而達(dá)到控制監(jiān)控?cái)z像頭的旋轉(zhuǎn)的目的.通過(guò)KEIL51軟件與Proteus軟硬件仿真驗(yàn)證了本方案的可行性.和傳統(tǒng)的控制攝像頭方案相比，本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：穩(wěn)定性好，可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)明.

在應(yīng)用于實(shí)際中時(shí)，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還存在一定不足，還需要考慮很多實(shí)際影響因素，比如兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)度問(wèn)題，如何更加精準(zhǔn)地控制監(jiān)控?cái)z像頭的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)考慮如何將該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化等等一些實(shí)際問(wèn)題，展望未來(lái)，隨著技術(shù)朝著高精度、更穩(wěn)定方向發(fā)展，設(shè)計(jì)中的一些死角問(wèn)題也將得到很好的解決，從方案到實(shí)際應(yīng)用還有一段路要走.

［1］劉波文，劉向宇，黎勝容.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用開(kāi)發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：138－149.

［2］高 偉，曹國(guó)君.AT89單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：39.

［3］李少遠(yuǎn)，王景成.智能控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：53－83.

［4］戴仙金.51單片機(jī)C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：323－429.