陳超,楊毅,李遠(yuǎn)軍,鄧華德,王先春

摘 要：為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控更智能和節(jié)能的目的，采用單片機(jī)與傳感器結(jié)合控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的方法，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的智能控制云臺。該云臺只在有人進(jìn)入傳感器監(jiān)測區(qū)域時(shí)才工作，且能根據(jù)傳感器采集的信息計(jì)算出人的位置，從而控制云臺轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自動追蹤監(jiān)控，無需人控制，成本低，與現(xiàn)在市面上的云臺相比更智能和節(jié)能，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。在研究分析后做出了實(shí)物，經(jīng)測試該云臺能實(shí)現(xiàn)有人時(shí)工作和自動追蹤監(jiān)控，驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)； 傳感器； 步進(jìn)電機(jī); 智能控制

中圖分類號：TN87-34文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種各樣的監(jiān)控?cái)z像裝置被應(yīng)用于社會的諸多方面，為實(shí)現(xiàn)全方位準(zhǔn)確監(jiān)控?cái)z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(yùn)轉(zhuǎn)的球形攝像機(jī)，價(jià)格昂貴；另一類是以兩個交流或直流電機(jī)組成的安裝平臺，通過控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)端可以控制其水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，這樣的云臺控制起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不節(jié)能。為此，在做一定的市場調(diào)研后，結(jié)合已有技術(shù)設(shè)計(jì)出一款基于單片機(jī)智能控制的云臺。該云臺能根據(jù)設(shè)防區(qū)域內(nèi)安裝的多個傳感器采集的信息去控制由步進(jìn)電機(jī)組成的云臺轉(zhuǎn)動，只要入侵者進(jìn)入設(shè)防區(qū)域云臺就工作，人移動超過一定的距離，電機(jī)就轉(zhuǎn)帶動攝像頭轉(zhuǎn)動，始終保持人在監(jiān)控?cái)z像頭的視角范圍中心區(qū)域。整個工作過程全智能化，無需人操作，且步進(jìn)電機(jī)易于控制轉(zhuǎn)動度數(shù)，轉(zhuǎn)動精確，可實(shí)現(xiàn)全方位準(zhǔn)確監(jiān)控?cái)z像，使用方便節(jié)能。

1 系統(tǒng)組成

該智能控制云臺系統(tǒng)主要由人體紅外傳感器、主控芯片、驅(qū)動電路、四相步進(jìn)電機(jī)組成，框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，多個傳感器以云臺為中心組成多點(diǎn)信號監(jiān)測電路，采集云臺四周(設(shè)計(jì)為八個方向，每個方向?yàn)?5°的扇形區(qū)域)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)，輸入主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，主控芯片再輸出一定數(shù)量的脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動攝像頭轉(zhuǎn)動一定的角度，實(shí)現(xiàn)全方位自動追蹤監(jiān)控。

圖1 整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片與驅(qū)動電路

AT89C52是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS微處理器，片內(nèi)帶8 KB的可反復(fù)擦寫只讀程序存儲器，共有4個八位I/O接口，功能強(qiáng)大。L298N是SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片，能產(chǎn)生四相控制信號，輸出功率強(qiáng)，可用于控制兩相、三相和四相步進(jìn)電機(jī)，易于與單片機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制。

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為16點(diǎn)，也可視具體情況擴(kuò)展)紅外傳感器的監(jiān)測信息，信息經(jīng)運(yùn)算處理后，通過P2口輸出脈沖給L298N組成的電機(jī)驅(qū)動電路來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，從而帶動云臺上的攝像頭轉(zhuǎn)動一定角度(水平方向?yàn)?5°的倍數(shù)，最小45°，最大315°;豎直方向?yàn)?5°的倍數(shù)，最小15°，最大75°，可通過軟件修改)，實(shí)現(xiàn)自動控制。電機(jī)選用四相步進(jìn)電機(jī)，每個電機(jī)用四位I/O口控制，所以P2口低四位控制水平方向電機(jī)，高四位控制豎直方向電機(jī)。水平和豎直方向電機(jī)除轉(zhuǎn)動角度不同，驅(qū)動原理完全一樣。

圖2所示為主控芯片與水平方向驅(qū)動電路，在電路中為避免電機(jī)工作時(shí)對單片機(jī)的干擾，驅(qū)動中加入反相器和光耦進(jìn)行隔離，使單片機(jī)穩(wěn)定可靠工作。

圖2 主控芯片與電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)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(yùn)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(gòu)成，它與PIR和少量外接元器件可構(gòu)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(jiān)測電路，電路中PIR采用LHI778來監(jiān)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(jī)運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)防區(qū)域的信號采集。設(shè)計(jì)的監(jiān)測電路中可通過調(diào)節(jié)精密電位器RP1調(diào)節(jié)PIR探頭的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對感應(yīng)距離的控制，默認(rèn)為5 m；調(diào)節(jié)RP3控制信號的輸出延時(shí)時(shí)間(Tx)，Tx≈49 152×R8RP3C5,默認(rèn)為Tx≈1 s；調(diào)節(jié)RP2控制信號的輸出封鎖時(shí)間(Ti),監(jiān)測電路在這個時(shí)間里輸出低電平，Ti≈24×R5RP1C7，默認(rèn)為1.2 s，所以結(jié)合Tx和Ti可控制監(jiān)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(xiàn)對其監(jiān)測面積的控制。當(dāng)套用自制的金屬框時(shí)可實(shí)現(xiàn)對半徑為5 m，45°的扇形區(qū)域的探測，套用內(nèi)徑為7 cm的空心金屬套筒時(shí)，探測范圍變成一條長約5 m的直線。經(jīng)多次驗(yàn)證證明該傳感器達(dá)到設(shè)計(jì)功能。

2.3 攝像頭安裝平臺

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，精度高，且步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

設(shè)計(jì)中采用四相步進(jìn)電機(jī)，它有三種工作方式：單四拍、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(zhuǎn)矩大的要求，使電機(jī)工作于八拍方式，按(A-AB-B-BC-C-CD-D-AD-A)依次通電，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反方向通電就反轉(zhuǎn)，可通過控制每個脈沖之間的通電時(shí)間來控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)組成，即云臺，可實(shí)現(xiàn)上下和左右轉(zhuǎn)動，從而帶動攝像頭實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個控制部分軟件采用C語言在keil環(huán)境中編寫，所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示。

初始化主要是對單片機(jī)內(nèi)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(qū)域時(shí)，單片機(jī)一直處于掃描輸入信號狀態(tài)，傳感器輸入到單片機(jī)的信號一直為低，當(dāng)有人進(jìn)入任意傳感器檢測區(qū)域時(shí)，相應(yīng)傳感器輸出為高電平，單片機(jī)開始從P0口的低位到P1口高位逐位進(jìn)行信號檢測，當(dāng)檢測到某位為高時(shí)，立即保留該值并與上一次保留的值或初始位置值進(jìn)行計(jì)算，得出現(xiàn)在人所在位置與上一位置的位置差。如果等于0則繼續(xù)掃描輸入信號；如果大于0則依據(jù)差值調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一定的角度；如果小于0則依據(jù)差值的絕對值調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一定的角度，從而帶動攝像頭轉(zhuǎn)動。始終使入侵者當(dāng)前位置為攝像頭的視角范圍中心區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)智能全方位監(jiān)控。水平和豎直步進(jìn)電機(jī)軟件控制流程相同，只是對采集信號的處理運(yùn)算方式和電機(jī)轉(zhuǎn)動角度不同。

圖3 人體紅外傳感器信號監(jiān)測電路

圖4 主控單片機(jī)程序流程圖

4 功能測試

4.1 測試結(jié)果

在軟件調(diào)試成功后，進(jìn)行了實(shí)物制作，經(jīng)功能測試驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測試中監(jiān)測了以云臺為中心八個方向，每個方向?yàn)?5°的扇形區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)兩個點(diǎn)，共16個點(diǎn)的信息，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)功能。圖5所示四幅圖像為有人進(jìn)入時(shí)，單片機(jī)自動控制云臺轉(zhuǎn)動時(shí)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(biāo)1表示距離中心最近的一圈探測點(diǎn)(如A1~H1)，下標(biāo)2表示離中心稍遠(yuǎn)的一圈探測點(diǎn)(如A2~H2)，16個點(diǎn)構(gòu)成以云臺為圓心的極坐標(biāo)系，在這16個位置中進(jìn)行測試，設(shè)攝像頭初始位置為A1區(qū)域。

圖5 智能云臺轉(zhuǎn)動時(shí)攝像頭拍攝視屏部分畫面截圖

4.2 測試結(jié)果分析

從測試過程可以看出此云臺能實(shí)現(xiàn)智能控制監(jiān)控?cái)z像，將云臺的轉(zhuǎn)動過程與人闖入的位置結(jié)合分析得出一些測試數(shù)據(jù)，表明該云臺能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，轉(zhuǎn)動精確，表1所示為測試中的部分?jǐn)?shù)據(jù)分析，其中一環(huán)表示下標(biāo)為1，離云臺最近的探測點(diǎn);二環(huán)表示下標(biāo)為2，離云臺稍遠(yuǎn)的探測點(diǎn)，水平代表水平方向，豎直代表上下方向。

表1 云臺測試數(shù)據(jù)分析

入侵區(qū)域

兩次位置差轉(zhuǎn)動角度

一環(huán)二環(huán)水平豎直攝像頭視角中心區(qū)域

轉(zhuǎn)動方向水平豎直

無人進(jìn)入000°0°A1——

從H1進(jìn)入7 0315°0°H1正轉(zhuǎn)—

移動到A2-7 1315°15°A2反轉(zhuǎn)向上

移動到B2 1 045°0°B2正轉(zhuǎn)—

移動到B10 -10°15°B1—向下

移動到D12 090°0°D1正轉(zhuǎn)—

移動到A2-31135°15°A2反轉(zhuǎn)向上

無人進(jìn)入傳感器監(jiān)測區(qū)域時(shí)，云臺上的攝像頭停留在初始位置不動，當(dāng)人從以云臺為中心的8個方向中任意方向進(jìn)入傳感器探測區(qū)域時(shí)，電機(jī)能帶動攝像頭實(shí)現(xiàn)水平左右，豎直上下轉(zhuǎn)動，始終使人處在攝像頭視角范圍的中心區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全方位智能追蹤監(jiān)控?cái)z像。

經(jīng)過多次測試和數(shù)據(jù)分析表明，該智能控制云臺上電后能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)入正常的工作狀態(tài)且準(zhǔn)確度高，證實(shí)了方案的可行性和可靠性。

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合人體紅外傳感器組成的多點(diǎn)信號采集電路和L298N驅(qū)動電路去控制云臺，對進(jìn)入設(shè)防區(qū)域內(nèi)移動的入侵者進(jìn)行全方位自動追蹤攝像。該云臺轉(zhuǎn)動角度精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，且無人時(shí)不工作，很節(jié)能。與現(xiàn)在市面上的高速球形和遠(yuǎn)程控制云臺相比，該云臺具有智能方便，運(yùn)行省電節(jié)能，生產(chǎn)成本低，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用該方法設(shè)計(jì)的云臺在經(jīng)過一定的加工處理后在智能控制、監(jiān)控等領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］謝維成，楊家國.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］黃綠娥，李平康.運(yùn)動目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng)的控制平臺設(shè)計(jì)［J］.江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(4)：10-12.

［3］房玉明，杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)電設(shè)備，2006，23(2)：23-26.

［4］王振紅，張常年.綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［5］康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］唐國棟,高云國.基于L297/L298芯片步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制［J］.微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(12)：134-136.

［7］王儉.基于傳感器的機(jī)器人路徑優(yōu)化仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2007(1):7-9.

［8］張佳一.熱釋電紅外傳感器放大電路的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.廣西通信技術(shù)，2010(3)：24-25.

［9］王義玉,葉文，王彬.紅外探測器［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2005.

［10］李振雷,李蘭.基于單片機(jī)與TA8435h的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2010，23(3)：11-13.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文