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1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要本论文在分析了摄像机云台结构、步进电机工作原理以及云台系统控制要求的基础上，设计了以STC89C52单片机为控制器的摄像机云台控制系统，以ULN2003为步进电机驱动芯片，利用独立按键控制云台转动，同时编写上位机程序并通过串口通信实现与PC机之间的串口通信。该控制系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块、远程PC机控制模块组成。单片机控制模块的工作包括处理键盘输入、响应PC串口中断、控制电机运行；键盘模块采用独立式键盘控制信息的输入；电机驱动模块采用ULN2003驱动电路控制摄像机云台的运动；远程PC机控制模块实现微机远程控制单片机，进而控制步进电机。云台
2、的运行有自动运行和手动运行模式，同时受上位机控制。键盘或PC输入信息，单片机接收后对输入信息进行处理，然后发出控制信号送ULN2003A，ULN2003A驱动步进电机运转。利用独立按键可以实现云台手动控制，利用计算机远程控制云台转动，增强了云台控制系统的实用性；同时利用VC6.0编写上位机，利用Keil4编译和调试，利用Proteus进行系统仿真，使系统更加完善。关键字: 单片机；云台；键盘；步进电机；串口通信IAbstractThis thesis analyzes the structure of camera pan and tilt, stepper motor system work
3、s and PTZ control requirements based on the design of the controller to STC89C52 microcontroller camera pan and tilt control system to ULN2003 stepper motor driver chip for the use of separate buttons control the PTZ rotation, as well as prepare the PC program and through the serial communication wi
4、th the PC serial communication between.The control system consists of single-chip control module, keyboard module, motor drive module, the remote PC control module. MCU control module include handling keyboard input, respond to PC serial port interrupt, control the motor running; Keyboard control mo
5、dules using stand-alone keyboard input of information; motor drive module using ULN2003 driver circuit control camera pan and tilt movement; remote PC control module microcomputer remote control microcontroller, then control the stepper motor.PTZ operation with automatic operation and manual operati
6、on mode，as well as by PC control. Keyboard or PC input information, the microcontroller after receiving the input information processing, and then send control signals to send ULN2003A, ULN2003A drive stepper motor running. Separate buttons can be achieved using the PTZ manual control, the use of co
7、mputer remote control PTZ, PTZ control system enhances the practicality; while using VC6.0 prepared by the host computer, use Keil4 compile and debug the system using the Proteus simulation, so system more perfect.Keyword: STC89C52；Camera Pan；Keyboard；Stepper Motor；Serial Communication40目 录摘 要IAbstr
8、actII目 录III第一章 绪论1一、 云台1二、 步进电机2（一） 步进电机的工作原理2（二） 步进电机主要技术指标3三、 单片机4（一） STC89C525（二） STC89C52各个引脚的功能6（三） STC89C52串口通信8（四） STC89C52中断系统9四、 本设计完成的任务10第二章 总体方案11一、 云台控制系统简析11二、 控制系统实现11第三章 软件基础13一、 C 语言简介13二、 Keil 编译器13（一） Keil 8051 C编译器简介13（二） 如何使用Keil软件开发14三、 Proteus 仿真软件17四、 MSComm 控件21（一） 基于VC的MSCo
9、mm控件串口编程基本步骤22（二） MSComm控件属性22五、 Visual C+ 软件23第四章 系统设计26一、 系统流程26二、 单片机系统27（一）复位电路28（二） 时钟电路28三、 ULN2003A驱动电路28四、 键盘模块30五、 初始化模块30六、 串口中断模块31第五章 系统仿真32一、 虚拟串口32二、 Keil 编译器32三、 Proteus 仿真软件32第六章 结论35致 谢36参考文献37附录一 单片机程序源代码38附录二 上位机源程序43附录三 单片机云台控制系统45第一章 绪论一、 云台摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，用于摄像机与支撑物之间的连接
10、，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就可以通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值。云台分为固定云台和电动云台。目前这两类云台广泛应用于各种场所，固定云台适用于小范围的监视；电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。步进电机作为云台的转动器件，它的工作可靠性直接影响了云台的质量。
11、云台的性能指标：1、云台的转动速度云台的转动速度衡量云台档次高低的重要指标。云台的水平和垂直方向是由两个步进电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。2、云台的转动角度云台的水平转动角度一般都能达到355，因为限位拴会占用一定的角度，但是出现少许的监控死角。当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360甚至365（有5的覆盖角度），以消除监控死角。使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。3、云台的载重量云台的最大负载是指垂直
12、方向承受的最大负载能力。摄像机的重心到云台工作面距离为50mm，该重心必须通过云台回转中心，并且与云台工作面垂直，这个中心即为云台的最大负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。如果负载位置安装不当，重心偏离回转中心，增大了负载力矩，实际的载重量将小于最大负载量的设计值。因此云台垂直转动角度越大，重心偏离也越大，相应的承载重量就越小。二、 步进电机在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，这些机械部件的驱动大多都采用交流电机、直流电机、和步进电机。在这三种电机中，步进电机最适合数字控制。本设计中单片机作为数字控制器件，因此在本系统中毫无疑问的选择了步进电机。如何运用步进电机无疑
13、是单片机云台控制系统中的重点。因此需要详细的了解步进电机。（一） 步进电机的工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一定角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。图1-1是四个开关信号控制四相步进电机工作原理示意图。图1-1 四相步进电机示意图四相步进电机按照通
14、电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。步进电机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，完成以下三种功能：1、控制换相顺序：通电换向这一过程称为脉冲分配。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。2、控制步进电机的转向：如果按给定方向的正序换相通电，步进电机正转；如果按反序通电换相，步进电机反转。3、控制步进电机的速度：如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转一步，再发送一个脉冲，它会再转一步。两
15、个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。（二） 步进电机主要技术指标静态指标：1、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/（转子齿数运行拍数），以常规二、四相，转子齿数为50齿的电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（504）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（508）=0.9度（俗称半步）。4、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。动态指标：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角
