揭秘智能控制云臺主控與驅動(dòng)電路 —電路圖天天讀（170）

　　云臺一般分兩類(lèi)，一類(lèi)是做高速運轉的球形攝像機，價(jià)格昂貴；另一類(lèi)是以?xún)蓚€(gè)交流或直流電機組成的安裝平臺，通過(guò)控制系統在遠端可以控制其水平和垂直方向的轉動(dòng)，實(shí)現全方位監控，這樣的云臺控制起來(lái)費時(shí)費力，不節能。為此，在做一定的市場(chǎng)調研后，結合已有技術(shù)設計出一款基于單片機智能控制的云臺。該云臺能根據設防區域內安裝的多個(gè)傳感器采集的信息去控制由步進(jìn)電機組成的云臺轉動(dòng)，只要入侵者進(jìn)入設防區域云臺就工作，人移動(dòng)超過(guò)一定的距離，電機就轉帶動(dòng)攝像頭轉動(dòng)，始終保持人在監控攝像頭的視角范圍中心區域。整個(gè)工作過(guò)程全智能化，無(wú)需人操作，且步進(jìn)電機易于控制轉動(dòng)度數，轉動(dòng)精確，可實(shí)現全方位準確監控攝像，使用方便節能。

　　系統組成

　　該智能控制云臺系統主要由人體紅外傳感器、主控芯片、驅動(dòng)電路、四相步進(jìn)電機組成，框圖如圖1所示。在該系統中，多個(gè)傳感器以云臺為中心組成多點(diǎn)信號監測電路，采集云臺四周（設計為八個(gè)方向，每個(gè)方向為45°的扇形區域）的多點(diǎn)數據，輸入主控芯片進(jìn)行數據計算處理，主控芯片再輸出一定數量的脈沖給步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，從而驅動(dòng)步進(jìn)電機帶動(dòng)攝像頭轉動(dòng)一定的角度，實(shí)現全方位自動(dòng)追蹤監控。

　　主控芯片與驅動(dòng)電路

　　AT89C52是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS微處理器，片內帶8 KB的可反復擦寫(xiě)只讀程序存儲器，共有4個(gè)八位I／O接口，功能強大。L298N是SGS半導體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機專(zhuān)用控制芯片，能產(chǎn)生四相控制信號，輸出功率強，可用于控制兩相、三相和四相步進(jìn)電機，易于與單片機結合，實(shí)現單片機控制。

　　設計中以AT89C52為主控芯片，在軟件的配合下用P0，P1口作為傳感器信號輸入口，掃描多點(diǎn)（設計為16點(diǎn)，也可視具體情況擴展）紅外傳感器的監測信息，信息經(jīng)運算處理后，通過(guò)P2口輸出脈沖給L298N組成的電機驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)電機轉動(dòng)一定的角度，從而帶動(dòng)云臺上的攝像頭轉動(dòng)一定角度（水平方向為 45°的倍數，最小45°，最大315°；豎直方向為15°的倍數，最小15°，最大75°，可通過(guò)軟件修改），實(shí)現自動(dòng)控制。電機選用四相步進(jìn)電機，每個(gè)電機用四位I／O口控制，所以P2口低四位控制水平方向電機，高四位控制豎直方向電機。水平和豎直方向電機除轉動(dòng)角度不同，驅動(dòng)原理完全一樣。

　　圖2所示為主控芯片與水平方向驅動(dòng)電路，在電路中為避免電機工作時(shí)對單片機的干擾，驅動(dòng)中加入反相器和光耦進(jìn)行隔離，使單片機穩定可靠工作。

　　人體紅外傳感器采集電路

　　PIR是一種能以非接觸形式檢測出人體或動(dòng)物輻射的紅外線(xiàn)能量變化并將其轉換成電壓信號輸出的傳感器。BIS0001是一種高性能的信號處理集成電路，由運算放大器、電壓比較器、延遲時(shí)間和封鎖時(shí)間定時(shí)器等構成，它與PIR和少量外接元器件可構成被動(dòng)式的人體紅外傳感器采集電路。

　　圖3所示為人體紅外傳感器信號監測電路，電路中PIR采用LHl778來(lái)監測人體紅外信號，采集的信號經(jīng)BIS0001放大處理后以高低電平的形式輸出給單片機運算處理，從而實(shí)現對設防區域的信號采集。設計的監測電路中可通過(guò)調節精密電位器Rp1調節PIR探頭的靈敏度，實(shí)現對感應距離的控制，默認為5 m；調節Rp3控制信號的輸出延時(shí)時(shí)間（Tx），Tx≈49 152&TImes;R8Rp3C5，默認為T(mén)x≈1 s；調節Rp2控制信號的輸出封鎖時(shí)間（TI），監測電路在這個(gè)時(shí)間里輸出低電平，TI≈24&TImes;R5Rp1C7，默認為1．2 s，所以結合Tx和Ti可控制監測電路的探測周期。實(shí)物中對PIR探頭做了兩種處理以實(shí)現對其監測面積的控制。當套用自制的金屬框時(shí)可實(shí)現對半徑為5 m，45°的扇形區域的探測，套用內徑為7cm的空心金屬套筒時(shí)，探測范圍變成一條長(cháng)約5 m的直線(xiàn)。經(jīng)多次驗證證明該傳感器達到設計功能。

　　攝像頭安裝平臺

　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件，電機的轉速、停止位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，精度高，且步距角越小，輸出轉矩越大，帶負載能力越強。設計中采用四相步進(jìn)電機，它有三種工作方式：?jiǎn)嗡呐?、雙四拍、八拍，四拍時(shí)步距角為1．8°，八拍時(shí)步距角為0．9°?？紤]到對步距精度高和輸出轉矩大的要求，使電機工作于八拍方式，按（A-AB-B-BC-C-CD-D-AD-A）依次通電，電機正轉，反方向通電就反轉，可通過(guò)控制每個(gè)脈沖之間的通電時(shí)間來(lái)控制電機轉速。攝像頭安裝平臺由一個(gè)豎直放置和一個(gè)水平放置的步進(jìn)電機組成，即云臺，可實(shí)現上下和左右轉動(dòng)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)現全方位監控。

　　測試結果

　　在軟件調試成功后，進(jìn)行了實(shí)物制作，經(jīng)功能測試驗證達到設計要求。測試中監測了以云臺為中心八個(gè)方向，每個(gè)方向為45°的扇形區域，每個(gè)區域設兩個(gè)點(diǎn)，共 16個(gè)點(diǎn)的信息，驗證了設計功能。圖5所示四幅圖像為有人進(jìn)入時(shí)，單片機自動(dòng)控制云臺轉動(dòng)時(shí)攝像頭（電腦攝像頭模擬）所拍攝的視屏部分畫(huà)面截圖。測試中以 A1A2，B1B2，C1C2，D1D2，E1E2，F1F2，G1G2，H1H2分別代表八個(gè)方向，下標1表示距離中心最近的一圈探測點(diǎn)（如 A1～H1），下標2表示離中心稍遠的一圈探測點(diǎn)（如A2～H2），16個(gè)點(diǎn)構成以云臺為圓心的極坐標系，在這16個(gè)位置中進(jìn)行測試，設攝像頭初始位置為 A1區域。

　　無(wú)人進(jìn)入傳感器監測區域時(shí)，云臺上的攝像頭停留在初始位置不動(dòng)，當人從以云臺為中心的8個(gè)方向中任意方向進(jìn)入傳感器探測區域時(shí)，電機能帶動(dòng)攝像頭實(shí)現水平左右，豎直上下轉動(dòng)，始終使人處在攝像頭視角范圍的中心區域，實(shí)現全方位智能追蹤監控攝像。經(jīng)過(guò)多次測試和數據分析表明，該智能控制云臺上電后能按設計要求進(jìn)入正常的工作狀態(tài)且準確度高，證實(shí)了方案的可行性和可靠性。

　　設計主要以單片機為控制核心，結合人體紅外傳感器組成的多點(diǎn)信號采集電路和L298N驅動(dòng)電路去控制云臺，對進(jìn)入設防區域內移動(dòng)的入侵者進(jìn)行全方位自動(dòng)追蹤攝像。該云臺轉動(dòng)角度精度高，帶負載能力強，運行穩定，且無(wú)人時(shí)不工作，很節能。與現在市面上的高速球形和遠程控制云臺相比，該云臺具有智能方便，運行省電節能，生產(chǎn)成本低，易于維護等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用該方法設計的云臺在經(jīng)過(guò)一定的加工處理后在智能控制、監控等領(lǐng)域有很強的實(shí)用價(jià)值和現實(shí)意義。