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1、基于单片机控制的CCD随动系统设计*（吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南 吉首 416000）摘要通过一种设计方案，包括硬件的介绍和实现，以及控制程序的编写等，介绍了一种基于单片机控制的CCD随动系统。该系统接收到驾驶员手中的方向盘旋转角度信号后，经ADC(Analog-to-Digital Converter， 模数转换器)转换成数字信号后送入单片机，由单片机处理接收到的旋转变压器的信号，发出步进脉冲及方向电平，送入步进电机驱动器，再由步进电机驱动器驱动步进电机旋转，从而使安装在旋转台上的CCD的方位角随方向盘的旋转而变化。为了获得较好的随动性，控制系统采用AD(Analog-to-Dig
2、ital，模拟到数字)转换技术，利用单片机对信号处理速度快的特点，使系统拥有更好的实时性能。关键词：步进电机；旋转变压器；单片机；AT89C51；CCD；随动系统A CCD Servo System Based on SCM ControllingXie Yongquan(College of Physics Science and Information Engineering Jishou University, Jishou, Hunan 416000)AbstractThe paper introduces a Single Chip Micyoco controlled CCD se
3、rvo system of a design project, including introduction and implement of hardware, also with design of control program. After receiving the signal of the rotating angle from the steering wheel, The signal is transformed to the digital signal by ADC and send into the monolithic integrated circuit, the
4、 monolithic integrated circuit processing the signal received from the rotary transformer, then send the stepping pulses and direction power level to the driver of stepping motor, Again actuates the machine to revolve by the driver of the stepping motor, Thus causes to the azimuth of CCD installed i
5、n the rotating platform along with the steering wheels rotating. In order to obtain a better Servo character, the control system uses the AD transformation technology, and uses the character of quickly signal processing speed of monolithic integrated circuit, so as to get the better real time charac
6、teristic.Keywords: stepping motor; rotate transformer; SCM; AT89C51; CCD; Servo systemI目 录第一章 绪论11.1引言11.2基于单片机控制的CCD随动系统研制的目的和意义11.3本课题的研究内容2第二章 系统方案选择与论证42.1系统需求42.2系统总体方案42.2.1基于单片机轴角数字转换电路的系统方案42.2.2基于轴角数字转换模块轴角数字转换电路的系统方案5第三章 硬件电路设计与实现83.1硬件电路的总体规划83.2系统端口、引脚分配83.3系统中央控制电路93.4中央处理电路93.4.1 AT89C
7、51简介393.4.2单片机最小系统123.5步进电机133.5.1步进电机的结构133.5.2步进电机的工作原理143.5.3步进电机的分类5153.5.4步进电机的运动163.5.5步进电机的定位173.6步进电机控制与驱动设计183.6.1 L297简介6183.6.2 L298简介7203.6.3步进电机驱动电路连接8213.7正余弦旋转变压器223.7.1正余弦变压器原理223.7.2正余弦变压器硬件连接电路图233.8信号预处理电路连接9243.9 A/D转换部分253.9.1 ADC0804简介10253.9.2 ADC时钟频率的产生263.9.3辅助参考电压的产生27第四章 软
8、件系统设计294.1应用程序设计原则与方法294.1.1程序功能模块化的优点294.1.2程序模块的划分294.2软件设计理论依据304.3各模块的软件设计324.3.1初始化模块324.3.2主程序模块334.3.3单片机控制A/D采样模块334.3.4方向控制模块344.3.5角度控制模块35第五章 结束语36致 谢37参考文献38附录1：系统电路图39附录2：源程序清单41基于单片机控制的CCD随动系统设计 绪论第一章 绪论1.1引言单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的专用处理器发
9、展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上计算机以及鼠标等计算机配件中都配有1-2部单片机。而个人计算机中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC(Personal Computer，个人计算机)
10、机和其它计算的综合，甚至比人类的数量还要多。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC(Integrated Circuit，集成电路)卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。位置随动系统又称伺服系统，主要用于解决位置跟随
11、的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量(输出位置)对给定量(指令位置)的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的两个轴(y轴和z轴)的驱动；机器人的关节驱动；x-y记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制，显然，步进电动机适合应用位置控制。而基于单片机的应用系统，具有体积小、重量轻、性价比高以及可靠性较高等优点，把可以编程控制的单片机应用于CCD随动系统，使其具有较大程度的可改变性，从而可以更好的控制系统的随动性能、降低开发难度和生产成本。1.2基于单片机控制的CCD随动系统研制
12、的目的和意义随着随动控制系统的应用日渐广泛，人们对系统的要求也越来越高，如安全性、轻巧性以及性价比等。而通过单片机开发的随动系统，恰好能够满足现实的需要，而且用单片机开发出来的随动系统也具有高稳定性和可以通过编程以进行控制和升级等特性。其研制的目的和意义：1、降低随动系统的开发成本和开发难度。随动系统的开发可以全部在微机上操作，并且可以通过实时的仿真系统来测试系统的正误以及其性能，从而可以提早发现问题并且对所遇到的问题来进行解决，可以省去很多实物仿真的必要性，但当系统调试完毕之后，将还要在实物的基础上进行一定时期的验证，才能最后用于实际的应用。单片机系统已经集成到了一小片硅片上，而且在其外部用
13、到的外围器件大多数也是集成芯片，随着这些集成芯片的广泛普及，其性价比势必也会越来越高，因此该系统将具备较低的开发成本优势。2、通过应用单片机系统，进一步提高随动系统的稳定性以及可维护性。该系统应用集成芯片和高稳定性元器件，只有很少一部分是独立原件，而对于集成芯片的诊断和维护也较独立元器件要高出很多，更换也比较简单，因此使该系统具有高稳定性、易诊断、易维护等方面的优势。3、控制逻辑通过C程序实现，更易于以后系统的升级和维护，也使具备在不同芯片中和系统中可移植性。系统的控制程序全部采用C语言进行编写，由于C语言具有高效率以及接近汇编，具有更小的体积，这些对于那些只具备较小的存储空间的智能系统来说，
14、控制程序占据更小的内存以及存储空间，追求更高的执行效率是一个很重要，也很受关注的方面。而通过应用C语言，使其能够达到上述要求。而且C语言具有可移植性，在该系统上编写的程序，可以在另外的系统中，如Linux中进行再开发，利于将来产品的升级。4、通过提高随动系统的性能，从而提高车辆的安全性，使其更加人性化。车辆在行进中，各个设备，尤其是战车的瞄准仪、测距仪以及其它仪器都需要与方向盘的方向保持良好的一致性，使他们与方向盘仪器保持随动，从而才能更好的提高其在战场环境下的生存能力以及战斗能力。而在高档车辆的照明系统中，也要求大灯和方向盘保持随动，使驾驶员能够看清前进的方向，提高其安全系数，使其更舒适化、
15、人性化。1.3本课题的研究内容本文介绍的设计方案是用AT89C51控制的CCD (Charge Coupled Device，电荷耦合器件)随动系统。为了提高车辆（比如装甲战车、坦克、工程车和轿车等）的适时性和安全性，拟在车辆上装备CCD，要求CCD的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动，而CCD安装在由步进电机带动的旋转台上，方向盘上安装测角组件(旋转变压器) ，车辆驾驶过程中，随着方向盘的旋转，旋转变压器发送相应的角度信号传入AD转换模块，AD把旋转变压器传入的模拟信号转换为数字信号后，再送到AT89C51，由AT89C51处理接收到的旋转变压器的信号，发出步进脉冲及方向电平，再让步进电机驱动器来控制步进电机转动方向和转动角度，从而使车辆行进的方向与观察视角保持一致。在该方案中，要求系统的采样误差不得超过1%，单片机控制步进电机的最小控制精度不得低于2度。全文开始讲述整个系统的规划设计，以便使整个控制系统的设计有一个较好的参考标准；接着分析对系统的要求，绘制系统的方框图；进而简要介绍所用器件的原理和特点，决定选用的器件类型
