監(jiān)控系統(tǒng)中電動(dòng)云臺(tái)的設(shè)計(jì)與方案簡(jiǎn)紹

1、. .第 10 章 電動(dòng)云臺(tái)和變焦鏡頭控制0.1 基本驅(qū)動(dòng)電路10.2 串行傳送控制信號(hào)10.3 單片機(jī)解碼器10.4 硬件解碼器10.5 控制器和解碼器的連接10.1 基本驅(qū)動(dòng)電路在控制室，除了要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行切換，在視頻信號(hào)上疊加地點(diǎn)、日期、時(shí)間等附加信息外，還要對(duì)攝像機(jī)的電動(dòng)云臺(tái)和變焦鏡頭進(jìn)行控制。電動(dòng)云臺(tái)通常有水平旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)兩個(gè)電機(jī)可以進(jìn)行正、 反向旋轉(zhuǎn)， 四個(gè)動(dòng)作分別稱為上、下、左、右。電動(dòng)云臺(tái)的電機(jī)大部分是交流電機(jī)，這種電機(jī)有兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組有一個(gè)公共端，當(dāng)一個(gè)繞組接交流電壓時(shí)，另一繞組經(jīng)移相電容接入交流電壓， 當(dāng)交流電壓分別從兩個(gè)繞組接入時(shí)， 可使電機(jī)作正向或反向旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)

2、電機(jī)的公共端接在一起，一共有五根控制線。變焦鏡頭通常連接有光圈、 聚焦和變倍三個(gè)控制電機(jī)，可以正、反向旋轉(zhuǎn)。六個(gè)動(dòng)作分別稱為光圈大、光圈小、聚焦遠(yuǎn)、聚焦近、變倍進(jìn)、變倍出。變焦鏡頭的電機(jī)大部分是直流電機(jī)， 直流電機(jī)加正向電壓后正轉(zhuǎn)， 加反向電壓后就會(huì)倒轉(zhuǎn)。 三個(gè)電機(jī)共用一個(gè)接地端，共有四根控制線。在攝像機(jī)離控制室比較近的情況下，可用多芯電纜將 10 個(gè)動(dòng)作的控制電壓從控制室傳到攝像機(jī)處。圖 10 1 是用多芯電纜傳送電動(dòng)云臺(tái)和變焦鏡頭控制電壓的電路圖。在控制室利用琴鍵開關(guān)將交直流電壓加到電機(jī)的控制線上。電動(dòng)云臺(tái)虛線框內(nèi)的線路中 4 個(gè)常閉觸點(diǎn)是 4 個(gè)限位開關(guān)，當(dāng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)到壓住限位開關(guān)后，常閉

3、觸點(diǎn)斷開，云臺(tái)不再往該方向旋轉(zhuǎn)。這種電路使用很多機(jī)械開關(guān)，因電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流和電機(jī)斷開時(shí)的高反壓，開關(guān)容易損壞， 目前已很少采用這種電路。 在控制器大都采用單片機(jī)的情況下， 要用鎖存的上TTL電平去控制云臺(tái)和鏡頭?？刂破?電動(dòng)云臺(tái)下M左U右M公 共端光圈大M光圈光圈小聚焦遠(yuǎn)M聚焦聚焦近變倍進(jìn)M變倍變倍出U U地 變焦鏡頭圖 10 1 用多芯電纜傳送電動(dòng)云臺(tái)和變焦鏡頭控制電壓電路圖Word 完美格式. .10.1.1 電動(dòng)云臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單片機(jī)用鎖存器輸出的 TTL電平來控制電動(dòng)云臺(tái)。 通常有繼電器驅(qū)動(dòng)和雙向可控硅驅(qū)動(dòng)兩種方法。1. 繼電器驅(qū)動(dòng)用繼電器驅(qū)動(dòng)云臺(tái)的電路如圖 10 2 所示。當(dāng)輸入控制信

4、號(hào) D3D0 的電平是 0001B 時(shí)，繼電器 J0 吸合，云臺(tái)向右旋轉(zhuǎn)；當(dāng) D3D0 的電平是 0010B 時(shí)，繼電器 J1吸合，云臺(tái)向左旋轉(zhuǎn)；當(dāng) D3 D0 的電平是 0100B 時(shí)，繼電器 J2 吸合，云臺(tái)向下旋轉(zhuǎn)；當(dāng)D3 D0 的電平是 1000B 時(shí)，繼電器 J3 吸合，云臺(tái)向上旋轉(zhuǎn)。U上公共端D3J3下 MD2J2左D1J1右 MD0J0電動(dòng) 云臺(tái)MC1413U圖 10 2 繼電器電動(dòng)云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路常用來驅(qū)動(dòng)云臺(tái)的繼電器有 JZC 22FA型。其體積為 22.5mm 16.5mm 16.5mm, 觸點(diǎn)負(fù)荷為 220V(AC) 、3A 或 28V(DC) 、 10A,JZC 22FA有

5、 005 、006 、009 、012 、024 等五種規(guī)格 ,其額定電壓分別是 5V 、6V 、9V 、12V 、24V(DC) ；線圈電阻分別是 70 、100 、220 、 400 、 1600 ；吸合電壓分別4為V 、4.8V 、7.2V 、9.6V 、19.2V ；釋放電壓分別為 0.5V 、0.6V 、0.9V 、1.2V 、2.4V 。2. 雙向可控硅驅(qū)動(dòng)與繼電器相比，可控硅驅(qū)動(dòng)有體積小、重量輕、壽命長、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。所以，目前較多的產(chǎn)品是用雙向可控硅來控制電動(dòng)云臺(tái)的。圖 10 3 是雙向可控硅和電路符號(hào)。面對(duì)雙向可控硅正面，左邊的引腳是主電極 MT1 或稱 A1 ，中間的引腳

6、是主電極 MT2 或稱 A2 ，右邊的引腳是控制極 G 或稱門極。觸發(fā)信號(hào)加在 MT2 和 G 兩極之間。圖 10 3(a) 是雙向可控硅的常用引腳排列。比如， BTA06C 就是這種排列，也可能會(huì)有與此圖不同的排列。 初次使用時(shí)最好用多用表判別， 方法如下： 先找 MT2 極，多用表置于 R 100擋，將黑表筆接任意一個(gè)電極， 用紅表筆碰另外兩個(gè)電極，如果表針都不動(dòng)，說明黑表筆接的是 MT2 極。剩下兩電極間有 2 10 的正反向電阻差，可用多用表 R 10擋或 R1 擋來量，電阻小時(shí)，接黑表筆的是 MT1 極，紅表筆接的是 G 極。因?yàn)殡娮璨詈苄。屑?xì)觀察才能判別出來。圖 10 4 是觸

7、發(fā)電路。 其中， 光電耦合器 MOC3021 是一種雙向可控硅輸出結(jié)構(gòu)的光電Word 完美格式. .耦合器，用來觸發(fā)雙向可控硅時(shí)電路最簡(jiǎn)單， 而且能將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅、電機(jī)、市電隔離開來，以免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和火花影響單片機(jī)工作。表 10 1 是 MOTOROLA公司 MOC3000 系列光電耦合器的主要參數(shù)。A23CTA1A 2 GGA1圖 103 雙向可控硅和電路符號(hào) (a) 引腳排列； (b) 電路符號(hào)5 VRRL300MOC30211 6R1220 V 360TTL 電平2 4 BTA06600 CMC1413圖 10 4 雙向可控硅觸發(fā)電路Word 完美格式. .表 101

8、MOC3000對(duì) MOC3021 ，有下列典型值：輸入端電流 II=10 15mA 。發(fā)光管上的電壓降 U12=1.2 1.5V 。最大輸出電流 Ip=1A 。MOC3021 的輸入端限流電阻 RR5V U U12 2II當(dāng) MC1413 輸出 V2 為低電平 0.4V 時(shí)，要求MOC3021 導(dǎo)通，這時(shí)R5V 1.5V 0.4V10mV300限流電阻 R1 用來限制 MOC3021 的輸出電流 Ip 不要超U 過極限值 1A 。 pR1IpWord 完美格式1. .式中,Up 為交流電壓峰值，交流電壓為 220V ，波動(dòng) 10%，最高電壓有效值為 242V ，峰值242 2V 電壓為R124

9、2 21342可取 R1=360 。最小觸發(fā)電壓 UT：由于串入電阻 R1，使觸發(fā)電路有一個(gè)最小觸發(fā)電壓，低于這個(gè)電壓時(shí)，雙向可控硅不導(dǎo)通。 UT按下式計(jì)算：式中 :IGT 為雙向可控硅最小觸發(fā)電流； UGT 為雙向可控硅最小觸發(fā)電壓； UTM 為MOC3021 輸出端壓降 ,典型值 1.8V ，最大值 3V 。圖 106 是雙向可控硅云臺(tái)控制電路。 MOC3021300 360 1 6 5 V2 4上電動(dòng) 云臺(tái)3601 6下MD3MC14132 4左D01 6360右M220 V2 43601 62 4圖 10 6 雙向可控硅云臺(tái)控制電路在選取雙向可控硅的電流、電壓極限值時(shí)，應(yīng)留有較大的余量

10、。云臺(tái)的電壓是 220V ，電流不超過 200mA 。一般取雙向可控硅的電流為 36A ，耐壓為 600 800V 。運(yùn)算放大器與晶體管驅(qū)動(dòng)與繼電器驅(qū)動(dòng)相比，有壽命長，可靠性高和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。10.1.2 變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)圖 10 8 是用運(yùn)算放大器與晶體管驅(qū)動(dòng)變焦鏡頭的實(shí)用電路。圖中當(dāng)輸入控制信號(hào) D5D0 的電平是 100000B 時(shí)， 運(yùn)算放大器 N1 輸出正電壓， 晶體管 V1 導(dǎo)通， 電壓 U+加到光圈電機(jī)正端，電機(jī)正轉(zhuǎn)，光圈變大；當(dāng) D5D0 的電平是 010000B 時(shí)，運(yùn)算放大器 N1 輸出負(fù)電壓，晶體管 V2 導(dǎo)通，電壓 U-加到光圈電機(jī)正端，電機(jī)反轉(zhuǎn)，光圈變??；當(dāng) D5D0

11、 的電平是001000B 時(shí)，運(yùn)算放大器 N2 輸出正電壓，晶體管 V3 導(dǎo)通，電壓 U +加到聚焦電機(jī)正端，Word 完美格式. .電機(jī)正轉(zhuǎn)，聚焦變遠(yuǎn)；當(dāng) D5D0 的電平是 000100B 時(shí)，運(yùn)算放大器 N2 輸出負(fù)電壓，晶體管 V4 導(dǎo)通，電壓 U-加到聚焦電機(jī)正端，電機(jī)反轉(zhuǎn)，聚焦變近；當(dāng) D5D0 的電平是 000010B 時(shí)，運(yùn)算放大器 N3 輸出正電壓，晶體管 V5 導(dǎo)通，電壓 U +加到變倍電機(jī)正端，電機(jī)正轉(zhuǎn)，變倍變進(jìn)；當(dāng) D5D0 的電平是 000001B 時(shí)，運(yùn)算放大器N3 輸出負(fù)電壓，晶體管 V6 導(dǎo)通，電壓 U -加到變倍電機(jī)正端，電機(jī)反轉(zhuǎn)，變倍變出。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)太快，

12、不易對(duì)鏡頭進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)時(shí)， 可以降低 U +、U -的幅度， 或在輸出電壓與電機(jī)之間串接電阻來使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。D5U UN1V1V2D4D3N2U U V3 V4光圈聚焦MMDD21U U變倍M變 焦鏡頭N3V5 V6D0圖 108 用運(yùn)算放大器的變焦鏡頭驅(qū)動(dòng)電路10.2 串行傳送控制信號(hào)前面介紹的驅(qū)動(dòng)電路中，變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)電壓有 4 根控制線，電動(dòng)云臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電壓有 5 根控制線， 再加上攝像機(jī)電源控制， 雨刷控制等， 控制線較多。 當(dāng)控制器與攝像機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)，浪費(fèi)大量線材， 很多能量也消耗在傳輸線上， 所以常常采用發(fā)串行控制信號(hào)的辦法來節(jié)省線材和能量損失。具體做法是在控制器部分由單片機(jī)發(fā)出串

13、行的控制信號(hào)，在攝像機(jī)附近配置一個(gè)接收解碼器， 對(duì)接收到的串行命令進(jìn)行解碼， 形成云臺(tái)和變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)電壓。這樣控制線改為二芯 ,可以節(jié)約線材，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓就地供給，避免了驅(qū)動(dòng)電壓長距離傳送時(shí)的能量損失。下面介紹串行通訊中的一些基本概念和標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。10.4 硬件解碼器在電視系統(tǒng)中，解碼器是用得較多的設(shè)備，當(dāng)然是越簡(jiǎn)單越好。VD5026 、VD5027 編解碼電路VD5026 、VD5027 是一對(duì)編碼解碼芯片，它們的工作電壓是 26V ，靜態(tài)工作電流只有 1A，使用的外接元件少，編碼、解碼芯片各接一個(gè)相同的電阻。VD5026 、V D5027 是 18 腳雙列直插電路，圖 1027 是它

14、們的引腳圖。其中，地址 A0 A7 可以是高電平 (1) 、低電平 (0) 、開路(高阻)和第 4 種狀態(tài)。 第 4 種狀態(tài)時(shí)，A0 不使用， A1 A7 若與 A0 短路即為第 4 種狀態(tài)。當(dāng)利用這 4 種狀態(tài)來決定地址時(shí)，最Word 完美格式. .多可以有47=214=16 K=16 1024 種地址。VD5026 、VD5027 的 OSC1 、OSC2 接電阻 R 后，芯片的振蕩器頻率 f=1600 R(kHz)(R為 k)。典型值 R=80k ，f=200kHz 。每個(gè)數(shù)據(jù)位是 128 個(gè)時(shí)鐘周期，每個(gè)字是 13 位數(shù)據(jù)，包括 8 位地址、 4 位數(shù)據(jù)、 1 位校驗(yàn)，一個(gè)字的時(shí)間是

15、13128 5s=8.32ms ，每個(gè)字發(fā)出之前有一組同步信號(hào)的時(shí)間相當(dāng)于 3 個(gè)數(shù)據(jù)位， 是 3128 5s=1.92ms 。每一次發(fā)送將包括同步信號(hào)的字連續(xù)發(fā) 4 次，所以總的一次發(fā)送的時(shí)間是 4(8.32+1.92)=40.96ms 。VD5026 VD50274TH/A0A1121817UDDDA TA O UT4TH/A0A1121817UDDUTA2 3 16 OSC1 A2 3 16 OSC1A3 4 15 OSC2 A3 4 15 OSC2A4 5 14 TE A4 5 14 DA TA INA5 6 13 D3 A5 6 13 D3A6 7 12 D2 A6 7 12 D2A

16、7 8 11 D1 A7 8 11 D1USS D09 10U 9 10SS D0圖 1027 V D5026 和 VD5027 引腳圖圖 1028 是 VD5026 與多個(gè) VD5027 通訊的示意圖。 這里 89C51 的 P0 口和 P1 口完全作鎖存器用，右下部兩個(gè) VD5027 的線路與上面的一個(gè) VD5027 的線路完全一樣，只是本機(jī)地址設(shè)置得不一樣。10 k85 VP0.0 A0 A0 DATA DATAP0.1 A1 A1 OUT INP0.2 A2 A2P0.3 A3 A3P0.4 A4 A4P0.5 A5 A5 P0.6 A6 A689C51 VD5026 VD5027P0

17、.7 A7 A7P1.0 D0 D0OSC1 OSC1本機(jī)地址 設(shè)定P1.1 D1 D1P1.2P1.3D2D3OSC2 OSC2D2D3數(shù)據(jù) 輸出P1.4 UTTEVD5027VD5027圖 10 28 VD5026 與多個(gè) VD5027 通訊的示意圖Word 完美格式. .10.4.2 硬件解碼器的實(shí)用電路圖 1031 是一個(gè)硬件解碼器的實(shí)用電路。 這里用 2 塊 VD5027 ，它們的 A1 A7 由撥動(dòng)開關(guān)來決定本機(jī)地址，最多可以有 27 個(gè)地址，有 128 臺(tái)解碼器。一塊 VD5027的 A0 接高電平，另一塊 VD5027 的 A0 接低電平，所以地址的最低位決定數(shù)據(jù)送兩塊芯片中的

18、哪一塊。第一塊 VD5027 的 4 位數(shù)據(jù)供變焦鏡頭與云臺(tái)控制用，因?yàn)榻?jīng)常規(guī)定云臺(tái)和變焦鏡頭的 10 個(gè)動(dòng)作不在同一時(shí)刻執(zhí)行，每次只能一個(gè)動(dòng)作有效，所以在發(fā)送端將 10 個(gè)動(dòng)作編碼為 4 位數(shù)據(jù)，在接收端又把 4 位數(shù)據(jù)由 4-16 譯碼器 CD4514譯碼后去控制變焦鏡頭和電動(dòng)云臺(tái)。另一塊 VD5027 的 4 位數(shù)據(jù)去控制攝像機(jī)電源、雨刷等能同時(shí)進(jìn)行的動(dòng)作，這里用 ULN2803 去驅(qū)動(dòng)光耦雙向可控硅電路， ULN2803 是與MC1413(ULN2003) 類似的驅(qū)動(dòng)電路。10 k 7 5 V VD5027 2 CD4514本 機(jī)地址設(shè) 定A1A2A3A4A5OSC1OSC2A6A7D

19、A TA IN A0D0D1D2D3ABCDY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10ULN 2803A1A2A3A4Y1Y2Y3Y4去變 焦鏡 頭驅(qū) 動(dòng)電路去電 動(dòng)云 臺(tái)驅(qū) 動(dòng)電 路5 VA1A2D0D1A5A6Y5Y6去攝 像機(jī) 電 源A3 D2 A7 Y7去刮 雨器 驅(qū)動(dòng)A4 D3 A8 Y8電路A5 OSC1A675176AREA7 OSC2B R DA TA IN A0圖 1031 硬件解碼器的實(shí)用電路輸入部分采用 RS485 接口芯片 75176 ，所以在控制器發(fā)信號(hào)的部分，單片機(jī)經(jīng)鎖存器給VD5026 送地址、 數(shù)據(jù)，VD5026 的輸出信號(hào)通過 RS485 接口芯片 75172 或 75174 輸出。硬件解碼器線路簡(jiǎn)單