一種基于單片機智能控制的云臺設計

陳超,楊毅,李遠軍,鄧華德,王先春

摘 要：為實現監控更智能和節能的目的，采用單片機與傳感器結合控制步進電機轉動的方法，設計一種以單片機為核心的智能控制云臺。該云臺只在有人進入傳感器監測區域時才工作，且能根據傳感器采集的信息計算出人的位置，從而控制云臺轉動，實現自動追蹤監控，無需人控制，成本低，與現在市面上的云臺相比更智能和節能，有很強的實用價值。在研究分析后做出了實物，經測試該云臺能實現有人時工作和自動追蹤監控，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：單片機； 傳感器； 步進電機; 智能控制

中圖分類號：TN87-34文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0149-04

Design of PTZ Based on SCM Intelligent Control

CHEN Chao,YANG Yi,LI Yuan-jun,DENG Hua-de,WANG Xian-chun

(Hunan University of Arts and Science,Changde 415000,China)

Abstract： To achieve the purpose of more intelligent control and energy-saving,using SCM and sensor to control the rotation of stepping motor method for designing a SCM-based intelligent control PTZ. The PTZ only working in the condition of that someone enter a sensor monitoring area,and figuring out position according to information collected by sensors to control PTZ rotation and achieve automatic tracking control. It has low cost and strong practical value,and is more intelligent and energy-saving. This scheme is feasible and can achieve automatic tracking control.

Keywords： SCM； sensor； stepping motor; intelligent control

隨著現代社會的發展和科學技術的進步，各種各樣的監控攝像裝置被應用于社會的諸多方面，為實現全方位準確監控攝像，很多攝像頭都配上了云臺。云臺一般分兩類，一類是做高速運轉的球形攝像機，價格昂貴；另一類是以兩個交流或直流電機組成的安裝平臺，通過控制系統在遠端可以控制其水平和垂直方向的轉動，實現全方位監控，這樣的云臺控制起來費時費力，不節能。為此，在做一定的市場調研后，結合已有技術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傳感器采集的信息去控制由步進電機組成的云臺轉動，只要入侵者進入設防區域云臺就工作，人移動超過一定的距離，電機就轉帶動攝像頭轉動，始終保持人在監控攝像頭的視角范圍中心區域。整個工作過程全智能化，無需人操作，且步進電機易于控制轉動度數，轉動精確，可實現全方位準確監控攝像，使用方便節能。

1 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、驅動電路、四相步進電機組成，框圖如圖1所示。在該系統中，多個傳感器以云臺為中心組成多點信號監測電路，采集云臺四周(設計為八個方向，每個方向為45°的扇形區域)的多點數據，輸入主控芯片進行數據計算處理，主控芯片再輸出一定數量的脈沖給步進電機驅動電路，從而驅動步進電機帶動攝像頭轉動一定的角度，實現全方位自動追蹤監控。

圖1 整個控制系統結構框圖

2 硬件控制電路設計

2.1 主控芯片與驅動電路

AT89C52是Atmel公司生產的低電壓，高性能CMOS微處理器，片內帶8 KB的可反復擦寫只讀程序存儲器，共有4個八位I/O接口，功能強大。L298N是SGS半導體公司生產的步進電機專用控制芯片，能產生四相控制信號，輸出功率強，可用于控制兩相、三相和四相步進電機，易于與單片機結合，實現單片機控制。

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(設計為16點，也可視具體情況擴展)紅外傳感器的監測信息，信息經運算處理后，通過P2口輸出脈沖給L298N組成的電機驅動電路來驅動電機轉動一定的角度，從而帶動云臺上的攝像頭轉動一定角度(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°，可通過軟件修改)，實現自動控制。電機選用四相步進電機，每個電機用四位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角度不同，驅動原理完全一樣。

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

圖2 主控芯片與電機驅動電路

2.2 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物輻射的紅外線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、延遲時間和封鎖時間定時器等構成，它與PIR和少量外接元器件可構成被動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LHI778來監測人體紅外信號，采集的信號經BIS0001放大處理后以高低電平的形式輸出給單片機運算處理，從而實現對設防區域的信號采集。設計的監測電路中可通過調節精密電位器RP1調節PIR探頭的靈敏度，實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時間(Tx)，Tx≈49 152×R8RP3C5,默認為Tx≈1 s；調節RP2控制信號的輸出封鎖時間(Ti),監測電路在這個時間里輸出低電平，Ti≈24×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。實物中對PIR探頭做了兩種處理以實現對其監測面積的控制。當套用自制的金屬框時可實現對半徑為5 m，45°的扇形區域的探測，套用內徑為7 cm的空心金屬套筒時，探測范圍變成一條長約5 m的直線。經多次驗證證明該傳感器達到設計功能。

2.3 攝像頭安裝平臺

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，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電機，它有三種工作方式：單四拍、雙四拍、八拍,四拍時步距角為1.8°,八拍時步距角為0.9°。考慮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，可通過控制每個脈沖之間的通電時間來控制電機轉速。攝像頭安裝平臺由一個豎直放置和一個水平放置的步進電機組成，即云臺，可實現上下和左右轉動，從而帶動攝像頭實現全方位監控。

3 軟件設計

整個控制部分軟件采用C語言在keil環境中編寫，所設計的軟件流程圖如圖4所示。

初始化主要是對單片機內部變量的賦值及輸入端、輸出端的清零。在無人闖入傳感器檢測區域時，單片機一直處于掃描輸入信號狀態，傳感器輸入到單片機的信號一直為低，當有人進入任意傳感器檢測區域時，相應傳感器輸出為高電平，單片機開始從P0口的低位到P1口高位逐位進行信號檢測，當檢測到某位為高時，立即保留該值并與上一次保留的值或初始位置值進行計算，得出現在人所在位置與上一位置的位置差。如果等于0則繼續掃描輸入信號；如果大于0則依據差值調用相應的函數控制步進電機正轉一定的角度；如果小于0則依據差值的絕對值調用相應的函數控制步進電機反轉一定的角度，從而帶動攝像頭轉動。始終使入侵者當前位置為攝像頭的視角范圍中心區域，從而實現智能全方位監控。水平和豎直步進電機軟件控制流程相同，只是對采集信號的處理運算方式和電機轉動角度不同。

圖3 人體紅外傳感器信號監測電路

圖4 主控單片機程序流程圖

4 功能測試

4.1 測試結果

在軟件調試成功后，進行了實物制作，經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方向，每個方向為45°的扇形區域，每個區域設兩個點，共16個點的信息，驗證了設計功能。圖5所示四幅圖像為有人進入時，單片機自動控制云臺轉動時攝像頭(電腦攝像頭模擬)所拍攝的視屏部分畫面截圖。測試中以A1A2,B1B2,C1C2,D1D2,E1E2,F1F2,G1G2,H1H2分別代表八個方向，下標1表示距離中心最近的一圈探測點(如A1~H1)，下標2表示離中心稍遠的一圈探測點(如A2~H2)，16個點構成以云臺為圓心的極坐標系，在這16個位置中進行測試，設攝像頭初始位置為A1區域。

圖5 智能云臺轉動時攝像頭拍攝視屏部分畫面截圖

4.2 測試結果分析

從測試過程可以看出此云臺能實現智能控制監控攝像，將云臺的轉動過程與人闖入的位置結合分析得出一些測試數據，表明該云臺能實現設計的功能，轉動精確，表1所示為測試中的部分數據分析，其中一環表示下標為1，離云臺最近的探測點;二環表示下標為2，離云臺稍遠的探測點，水平代表水平方向，豎直代表上下方向。

表1 云臺測試數據分析

入侵區域

兩次位置差轉動角度

一環二環水平豎直攝像頭視角中心區域

轉動方向水平豎直

無人進入000°0°A1——

從H1進入7 0315°0°H1正轉—

移動到A2-7 1315°15°A2反轉向上

移動到B2 1 045°0°B2正轉—

移動到B10 -10°15°B1—向下

移動到D12 090°0°D1正轉—

移動到A2-31135°15°A2反轉向上

無人進入傳感器監測區域時，云臺上的攝像頭停留在初始位置不動，當人從以云臺為中心的8個方向中任意方向進入傳感器探測區域時，電機能帶動攝像頭實現水平左右，豎直上下轉動，始終使人處在攝像頭視角范圍的中心區域，實現全方位智能追蹤監控攝像。

經過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入正常的工作狀態且準確度高，證實了方案的可行性和可靠性。

5 結 語

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信號采集電路和L298N驅動電路去控制云臺，對進入設防區域內移動的入侵者進行全方位自動追蹤攝像。該云臺轉動角度精度高，帶負載能力強，運行穩定，且無人時不工作，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，生產成本低，易于維護等優點。因此，利用該方法設計的云臺在經過一定的加工處理后在智能控制、監控等領域有很強的實用價值和現實意義。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文