基于單片機的云臺監控控制器的設計

李明海，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

基于單片機的云臺監控控制器的設計

李明海，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

云臺監控控制器主要由主電路控制部分、云臺部分和攝像頭部分三部分組成。以89s51單片機為核心處理模塊，以型號為CSM100的CAN模塊為數據傳輸模塊，用戶通過上位機由串口助手發送串口數據指令控制云臺監控的動作，同時接收控制器反饋回來的數據信息。89s51單片機通過對指令的處理實現控制4個繼電器，由繼電器控制云臺的上下左右轉動；89s51單片機控制另2個繼電器實現攝像頭倍率的大小調節。上位機經過RS232實現數據的發送與接收。

單片機；云臺；攝像頭；繼電器

0 引言

隨著社會科技信息化，視頻監控、遠程監控、監控系統、安防設備、云臺支架等應運而生，云臺監控已成為重要角色之一。云臺監控可用于機場、火車站、汽車站、辦公樓等公共場所的安防監控；可用于公安機關對相關證據的搜集；可用于住宅區安全管理；可用于學校的考試監控和宿舍安防的保障……云臺監控適用于對大范圍進行掃描監視，它可以擴大攝像機的監視范圍[1]。云臺監控高速姿態是由兩臺執行電動機來實現，電動機接受來自控制器的指令準確地運行進行定位。在控制指令的作用下，云臺上的攝像機既可自動掃描監視區域，也可在監控中心值班人員的操縱下跟蹤監視對象。云臺監控廣闊的市場前景與可應用性將賦予它存在的重要意義！

1 控制器組成及工作原理

本設計原理圖如圖1示，該設計控制單元采用51系列單片機為控制單元。該單片機將程序存儲器、數據存儲器、處理器還有一些特殊設備（如模擬-數字轉換器）等都集成在一塊芯片中，系統結構緊湊，功能簡單，成本低，適合低成本的電器控制。上位機的通訊通過CAN模塊來實現。控制器局域網 （Controller Area Network，CAN）模塊是一個串行接口，用來與其他CAN模塊或數字信號控制器進行通信。此接口/協議設計為允許在噪聲環境下進行通信。本設計采用嵌入式CAN轉UART模塊CSM100來實現有CAN-bus通訊接口的儀器、儀表設備的項目設計。CSM100具有8bit微處理器，CAN控制器，CAN收發器，電源電路，隔離電路，總線保護電路。模塊尺寸31.5 mm×19.9 mm×6.5 mm的24引腳封裝，該模塊不需要接任何外圍元件就可以使設備通過UART端口連接到CAN-bus網絡中。UART輸出為TTL電平；模塊特性如下：供電電壓為Vcc=5 V，icc＜70 mA；工作溫度-40℃～85℃；隔離電壓為直流2 500 V；支持CAN2.0A，CAN 2.0B協議。內置一路UART輸出通道，一路CAN-bus輸出通道，最高帖流量為400帖/秒[2]。

用戶在上位機上通過串口助手用串口數據線發送數據。串口助手發送命令要選用十六進制數發送并顯示。用戶在串口助手上發送指令，也可以在接收窗口看到你發送的指令。控制單元通過接收指令坐出相應操作控制繼電器的開合來控制云臺的上下，左右的轉動，同時控制攝像頭的倍率。

圖1 作品結構與原理圖

2 硬件部分

本設計主要有三部分組成，主電路控制部分，云臺控制部分，攝像頭控制部分。

2.1 主電路

主電路電源部分如圖2示。

由直流24 V的電源轉為三部分[3]：通過逆變器，變成24 V的交流電，最后給云臺部分供電；通過芯片7815變成12 V的直流電，給攝像頭供電；通過芯片7805變成5 V的直流電，給云臺和攝像頭的繼電器供電。同時還設計了電源短路保護電路如圖3所示：c5，c6，c7為104F；c11，c12為1μF電解電容。

圖3 電源保護電路

主電路控制部分如圖4所示，采用89s51單片機，該單片機最小系統時鐘晶振12 MHz，還包括按鍵復位電路，上位機通訊模塊采用can模塊csm100，硬件原理圖P2口采用一組8位撥碼開關實現連通與斷開。

2.2 云臺部分

云臺驅動電路如圖5示。

（左轉）K5繼電器：只有在P0.0給高電平(K5常開觸頭閉合)，P0.1給低電平(K6常閉觸頭閉合)時，云臺左轉。

（右轉） K6繼電器：只有在P0.1給高電平(K6常開觸頭閉合)，P0.0給低電平(K5繼電器常閉觸頭閉合)時，云臺右轉。

（上轉）K7繼電器：只有在P0.2給高電平(K7常開觸頭閉合)，P0.3給低電平(K8常閉觸頭閉合)時，云臺上轉。

（下轉）K8繼電器：只有在P0.3給高電平(K8常開觸頭閉合)，P0.2給低電平(K7繼電器常閉觸頭閉合)時，云臺下轉。

云臺控制電路如圖6示，由上位機發送指令信號，控制所在電磁繼電器吸合與常態。

圖4 主控制電路

圖5 云臺驅動電路

2.3 攝像頭部分

攝像頭驅動電路如圖7示。

（倍率主）K1繼電器：用來控制倍率指令的通斷。當P0.4給高電平時，繼電器常開觸頭閉合，指令可以發送出去；當P0.4給低電平時，繼電器常閉觸頭閉合，指令不能發送出去。

（倍率副）K2繼電器：當P0.5給高電平時，供給12 V直流電，倍率增大；當P0.5給低電平時，供給-12 V直流電，倍率減小。

攝像頭控制電路如圖8示：由上位機發送指令信號，控制所在主倍率和副倍率電磁繼電器吸合與常態。

3 軟件部分

由KEIL2為51單片機編程，程序模塊流程圖9如下：程序分為主程序，程序初始化子程序；指令操作子程序。主程序接收指令并且判斷指令類別，最后執行指令對應的操作。程序初始化子程序為設定允許接收；設定定時中斷初始值，指令操作子程序根據指令碼執行所在程序段使相應的繼電器坐出動作。

51單片機對上位機發出的指令代碼進行處理，判斷執行控制指令，使相應的繼電器工作，從而使云臺中兩個電機實現上下左右轉及攝像頭倍率的調節。

云臺的控制指令：

云臺上轉指令：05 01 C0 40 00 00 00 11

云臺下轉指令：05 01 C0 80 00 00 00 11

云臺左轉指令：05 01 C0 10 00 00 00 11

云臺右轉指令：05 01 C0 20 00 00 00 11

攝像頭控制指令：

倍率放大指令：05 01 C0 04 00 00 00 11

倍率減小指令 ：05 01 C0 08 00 00 00 11

圖7 攝像頭驅動電路

圖8 攝像頭控制電路

上位機部分采用串口助手V2.2軟件，該軟件可對控制板進行串口打開與關閉，發送指令，接收數據，配置信息。配置信息包括串口號、波特率、校驗位、數據位、停止位，配置發送與接收數據格式等信息。

上位機通過串口與控制板連接好后，打開串口助手設置串口號，十六進制顯示和發送；設置波特率9 600 bit/s；從發送字符和數據窗口可以向控制板發送指令。

圖9 程序流程圖

4 特色、功能

（1）適用于對大范圍場所進行掃描監視，可以擴大攝像機的監視范圍。可調節攝像頭的倍率，使監視更清晰。

（2）云臺高速姿態是由兩臺執行電動機來實現，電動機接受對來自控制器的指令精確地運行進行定位。

（3）在控制指令的作用下，云臺上的攝像機既可自動掃描監視區域，也可在監控中心值班人員的操縱下跟蹤監視對象。

（4）具有廣闊市場前景，廣泛適用性，可用性，器件易買、成本適中。

該設計通過上位機（電腦）發出操作指令，經過51單片機處理實現對云臺和攝像頭的控制。最終實現云臺移動，通過攝像頭倍率調節來更好監控對象。

5 測試方法

硬件確認無誤，程序通過KEIL軟件編譯無誤后導入單片機。在接通串口及有關鏈接線后接通電源，由電腦端輸入控制指令，可觀察到云臺作出相應的動作，以及攝像頭倍率的調節效果，信號通過串口返回電腦，用戶可清晰看到檢測效果。

［1］廣州致遠電子有限公司.CMS100產品數據說明書［EB/OL］. http：// wenku. baidu. com/ view/ dba62f29b d64783e09122b01.html.

［2］葛廣軍.基于STC12C5410AD的新型攝像搖臂云臺控制器設計［J］.河南城建學院學報，2011，20（2）：63-66.

［3］王松武，趙旦峰，于蕾，等.常用電路模塊設計［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［4］馬斌.單片機原理及應用——C語言程序設計與實現［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［5］譚浩強.C程序設計：第三版［M］.北京：清華大學出版社，2005.

Yuntai Monitor Controller Design Based on Single Chip Microcomputer

LI Ming-hai，XU Yi-qun
（Jimei University Institute of Marine Engineering，Xiamen361021，China）

PAN/TILT Monitoring Controller mainly consists of main circuit parts，PAN/TILT parts and camera parts of three parts.In this paper，using the single chip processor as the core processing module，use the CAN module to transmit data，the user on the PC via a serial port assistant sends serial data control yuntai monitor action，at the same time receive feedback controller data information.By 51 single chip microcomputer to control the order processing，four relay so as to realize the up and down or so of yuntai rotation.Control the size of the other two relay to realize camera ratio adjustment.Sending and receiving data through RS232.

Single Chip Microcomputer；PAN/TILT；camera；relay

TP273

A

1009－9492(2014)09－0104－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.028

李明海，男，1987年生，福建人，碩士研究生。研究領域：輪機工程。

徐軼群，男，1963年生，碩士，教授。研究領域：輪機工程。 (編輯：向 飛)

2014－03－26