合肥学院第五届大学生电子设计竞赛
设计与总结报告
作品名称： 云台控制装置 学校全称： 合 肥 学 院 团队成员： 刘运银、刘香英、徐孟秋
2009年4月24日
目 录
摘要： ................................................................................................................................................ 2 关键词： ............................................................................................................................................ 2 1 引言 ................................................................................................................................................ 3
1.1系统设计目的 ....................................................................................................................... 3 1.2 系统设计思想 ...................................................................................................................... 3 1.3 系统设计方案 ...................................................................................................................... 3 1.4创新性、实用性、可行性 ................................................................................................... 4 2系统硬件设计 ................................................................................................................................. 5
2.1单元模块设计 ....................................................................................................................... 5
2.2.1稳压模块 .................................................................................................................... 5 2.2.2驱动模块 .................................................................................................................... 5 2.2.3键盘模块 .................................................................................................................... 6 2.2.4显示模块 .................................................................................................................... 7 2.2.5 控制模块 ................................................................................................................... 8
3 系统软件设计 ................................................................................................................................ 8
3.1手动控制模式 ....................................................................................................................... 8 3.2自动控制模式 ..................................................................................................................... 10 3.3 程序总流程图 .................................................................................................................... 11 3.3 主函数程序........................................................................................................................ 11 4 测试及结果分析........................................................................................................................... 13
4.1 4*4矩阵键盘各按键的功能 .............................................................................................. 13 4.2 测试数据............................................................................................................................ 14 4.3 理论分析............................................................................................................................ 14 4.4 调试过程............................................................................................................................ 14 4.5结果及分析......................................................................................................................... 15 5 发挥部分 ...................................................................................................................................... 15 6 所用仪器及材料........................................................................................................................... 16 7 总结 .............................................................................................................................................. 17 参考文献 .......................................................................................................................................... 19 致谢 .................................................................................................................................................. 19
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摘要：
可预置的定时显示报警系统设计介绍的是一个由单片机构成的应用系统，它具有一个走时精确的实时钟，可以任意预置时间，时间表的转换，执行报警系统的打铃和时钟的显示功能等。可以通过按键操作和数字显示。文中对硬件和软件做了详细介绍。用单片机做定时控制，可充可预置的定时显示报警系统由8051单片机和少量其它器件组成。本机的时间由6个LED显示，中间的发定时中断服务程序置此标志位为1，当主程序查询到此标志位是就会执行相应的功能。
关键词：可预置；定时显示；控制报警系统
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1 引言
1.1系统设计目的
可预置的定时显示报警系统可用于任意定时系统，例如，篮球比赛规则中，队员持球时间不能超过30妙，到时报警，这给运动员和裁判员以准确信号。
1.2 系统设计思想
设计一个可预置30妙的显示报警系统。要求预置30妙减到0妙报警(也可预置0妙，计数到30妙时报警)；每隔2妙显示一次时间（即30妙、28妙……2妙、0妙时显示）；系统能准确地预置和清零。
1.3 系统设计方案
（一）系统设计方案的提出
本设计是基于AT89S52单片机的键盘控制及显示电路设计，从系统的设计功能上看，系统可分为四大部分，即数字显示部分、控制移动或转动部分、电源部分和电机驱动部分，对于每一个部分都有不同的设计方案，起初我们组拟订了下面两种方案： 1.数字显示部分
(1) 采用LED 数码管显示，利用多个数码管来显示数字。 （2）LCD液晶屏显示。 2.控制移动或转动部分 （1）用按键控制动作。 （2）用4*4键盘控制动作。 3．电源部分： (1)购买开关电源。 （2）自制电源。 4.电机驱动部分 （1）用交流电机。
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（2）用直流步进电机，采用集成芯片LM298与LM297组成驱动电路。
（二） 方案比较及确定
（1）若用LED数码管显示，LED数码管亮度高、小巧轻便，但是电路复杂，显示信息量较小；LCD的优点是：工作电流较小、功耗很低，而且可以清晰显示大量信息，趣味性强。所以选用LCD液晶显示。
(2)对于控制移动或转动部分用第一种方案实现原理太简单，用第二种方案使用键盘控制，易于控制，操作简单、方便，故选用第二种方案。
（3）购买的开关电源带负载的能力比较好，比较稳定，但是为了提升自己的动手能力，我们选择自己焊接所需的电路。
（4）若用交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4°/秒～6°/秒，垂直转动速度为3°/秒～6°/秒。其缺点是无法大电流驱动.降低了工作效率且不容易实现。若选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达40～50°/秒，垂直可达10～24°/秒。这种电路通过芯片产生正反向电压.用于控制云台的运行方向开启，运行.实现对云台电机运转状态的控制.从而保证了可以简单地实现转速和方向的控制：开关速度很快.稳定性极强.效率也非常高。基于上述考虑.我们拟选用方案二。
1.4创新性、实用性、可行性
本装置的研制是在控制领域的新应用，该云台控制装置，不仅能自动或手动的进行上下移动和水平转动，而且能够对高度和角度进行任意的设置，而且能对某些信号进行跟踪，从而实现一定范围内的定位，并且当超过预设范围时还具有自动报警的功能。本装置采用LCD液晶进行显示，显示的内容丰富。
本装置有很好的固定装置而且价格便宜、操作简单灵活。无论是用于实时监控，还是电视台的在线直播，该云台控制装置都是不错的选择。该系统的设计很好的满足了各行业的需求，是一个理想的智能化的设计，还能够对信号进行跟踪，功能较多，造价低，应用非常广泛。该系统的设计为人们提供了方便，同时又扩大了单片机的应用领域。
我们利用电机拖动和数字电路的知识设计了云台控制装置，该控制装置的设
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计采用模块化结构，采用AT89S52单片机芯片作为中央处理芯片，用LM297和LM298集成芯片驱动步进电机，采用L7805CV和L7812CV芯片作为三端集成线性稳压电源，采用LCD进行显示。从理论技术上来看，本系统具有可行性。
2系统硬件设计
2.1单元模块设计
根据系统要实现的功能，本系统分为五个模块：稳压模块、驱动模块、键盘模块、
显示模块和控制模块。分别将各单元模块功能介绍如下：
2.2.1稳压模块
稳压电源模块我们采用三端集成线性稳压集成块：L7805CV和L7812CV芯片。
本设计中我们所需的5V电源使用L7805CV芯片完成。因为它的外围电路比较简单，并且工作比较稳定。它的稳压精度为2%，工作电流1.5A，封装为TO-220(A)，工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，能对电路的长时间工作有很大的保障，故用其作为稳压芯片。所需的12V电源我们使用L7812CV芯片完成。
2.2.2驱动模块
步进电机是数字控制系统中的一种重要执行元件，广泛应用于各种控制系统中。 步进电机的驱动电路一般由两部分组成，一部分是数字逻辑部分，即环行脉冲分配器，它决定步进电机各项绕组的通电顺序。 另一部分是功率放大部分，它提供步进电机所需要的功率
设计中我们采用集成芯片LM298和LM297组成驱动电路，选用集成芯片LM298驱动直流步进电机，是因为其具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达40～50°/秒，垂直可达10～24°/秒。这种电路通过芯片产生正反向电压.用于控制云台的运行方向。实现对云台电机运
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转状态的控制.从而保证了可以简单地实现转速和方向的控制。开关速度很快，稳定性极强，效率也非常高。该驱动电路既可以驱动步进电机也可驱动直流电机，原理图如下所示：
图二 步进电机驱动原理图
该电路结构简单，可靠性高，可与单片机直接连接，对两相永磁式步进电机具有很好的驱动和控制能力。
2.2.3键盘模块
本系统中，由于按键较多，为了减少I/O口的占用，我们采用4*4键盘。 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。下图是一个4*4键盘的接
线图：
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图三 4*4键盘接线图
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图
中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，
通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
通过键盘模块，我们可以对当前状态任意的进行设置和清零。比如设置上移、下移、左转、右转、停止报警等。
2.2.4显示模块
本系统我们采用LCD液晶显示屏进行显示。LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。
液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分
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子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。
LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。在系统中，LCD主要进行高度和角度的显示。
2.2.5 控制模块
本设计中我们采用AT89S52单片机作为主控芯片，At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3 系统软件设计
此云台系统可分为手动和自动控制两种模式，手动模式主要通过键盘来控制垂直和水平方向移动的距离和角度，自动模式则是依靠五个不同方向的接收管来检测和跟踪光源，各部分程序设计如下：
3.1手动控制模式
程序流程图如下：
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手动模式N检测光源键盘扫描模块Y运作水平电机运作垂直电机判断是否恢复初N始状态Y恢复初始状态
部分程序：
if(Mode==0) { Temp=Key_Scan();
Delay(40000); if(Temp<10) { switch(flag) { case 0: Num=Temp;flag++; break; case 1: Num=Num*10+Temp; break; } } else { switch(Temp)
{
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执行相应动作
case 10: Up(); break; case 11: Down(); break; case 12: Left(); break; case 13: Right(); break; case 15: Mode=!Mode; break; default : break;
}
}
3.2自动控制模式
程序流程图如下：
手动模式自动模式检测光源Y执行相应动作运作垂直电机 部分程序：
void SearchLight()
{
N 始状态switch(DoubleLed) {
case Y0xfe: SearchLightUp(); break; case 0xfd: SearchLightDown(); break; case 0xfb: SearchLightLeft(); break; case 0xf7: SearchLightRight(); break; case 0xfa: Up_Left(); break; case 0xf6: Up_Right(); break; case 0xf9: Down_Left(); break; case 0xf5: Down_Right(); break; default : Stop(); Display(); break; } }
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N键盘扫描模块运作水平电机判断是否恢复初 恢复初始状态
3.3 程序总流程图
开始欢迎界面判断云台运动模式自手动动模模式式检测并跟踪光源判断按键根据按键执行相应动作是否复位是云台复位图四 系统程序流程图
3.3 主函数程序
#include \"main.h\"
void main() { Lcd_Init(); Welcome();
ChooseMode(); while(1) { if(Mode==0)
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{ Temp=Key_Scan(); Delay(40000); if(Temp<10) { switch(flag) { case 0: Num=Temp;flag++; break; case 1: Num=Num*10+Temp; break; } } else { switch(Temp) { case 10: Up(); break; case 11: Down(); break; case 12: Left(); break; case 13: Right(); break; case 15: Mode=!Mode; break; default : break; } } Display(); }
else SearchLight();
}
}
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4 测试及结果分析
4.1 4*4矩阵键盘各按键的功能
下面为4*4矩阵键盘图：
图五 4*4矩阵键盘图
结合键盘矩阵图，将各按键的功能列表如下： 按键编号 1 2 3 4 5 6 7 8 按键功能 数字1 数字2 数字3 数字4 数字5 数字6 数字7 数字8 13
9 0 ＋ － × ÷ = ON/C 数字9 数字0/跳出 右转 左转 下降 上调 复位/停止 切换模式 4.2 测试数据
实物尺寸：107cm，42cm，35cm 垂直上升平均速度：1cm /s 垂直上升最大速度：1.5cm /s 水平转动角速度：0.0523rad/s(3°/s)
4.3 理论分析
我们控制垂直方向运动的电机转一圈所需的步数是400步，而我们选用的滑轮周长为16厘米，所以想要上升或下降1厘米步进电机需要走25步，通过键盘输入的数字会转化成电机对应的步数，垂直方向的步数Step=Num/16*25，这样一来控制就有了误差，而我们控制水平运动的电机运转一圈需要4000步，水平方向的步数Step=Angle/360*4000，这样虽然也有误差但是相对于垂直方向控制起来更精确，所以角度的误差是小于高度误差的。
4.4 调试过程
在调试的过程中，起初我们也遇到了好多问题，比如：由于电源相序接错导致电机不能正常运转；由于云台太重，电机带不动；由于变压器功率太大，电流太大，显示屏险些烧坏；显示屏不能显示等。不过这些问题都在我们不断的调试下一一解决了。
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然后通过按键进行手动和自动的切换，比如：调试时，我们将键按至手动状态。会看到显示屏上显示进入云台手动控制状态，由于我们默认的转动范围是120度，默认起始角度为60.0度。起始高度为00.0cm，此时显示屏上会出现高度：00.0㎝；角度：60.0°。假设要向左转30度，先按键3和0，再按下“－”健。我们看到显示屏上会显示NEXT：左转30°。电机运行，云台开始左转，显示屏上的角度会不断的变化，时刻显示云台当前的位置。由角度的变化快慢很明显的可以观察到电机先加速后减速的过程。到转过30度时，云台停止转动，显示屏上的角度不再变化。看到此时显示的刚好是90.0°，非常准确。
在假设我们要右转90.0度，先按键9和0再按下“＋”键。NEXT则显示右转90.0°，表示要转过90.0度。观察显示屏的变化，当转动120度时，报警器立刻报警。即当超过预设范围时，我们的装置具有自动报警的功能。如果要停止报警，按复位即可。同样的方法，我们也对高度一一进行了调试，根据要求按不同的健进行设置，都能得到预设的结果，但是有一定的误差。
我们在将按键按至自动状态，把40W的白炽灯点亮。移动白炽灯的位置，会看到云台不断的对光源进行跟踪，当光源左转时，云台左转，显示屏上显示云台当前所在处的高度和角度；当光源右转并上移时，云台右转并上移，显示屏上同样会显示当前所在的高度和角度。其他方向也都一样能实现，而且误差很小。
4.5结果及分析
按照设定，云台到位即停止移动或转动。LCD液晶显示屏上的状态不再变化，而且误差不是很大。自动时同样能对光源进行实时跟踪和准确显示当前的状态。如果超过预设范围，蜂鸣器会自动报警，按复位健，立刻停止报警，实现了实时跟踪。经分析测试结果是正确的，符合预期要求。
5 发挥部分
在本次设计方案中，我们不仅达到了基本要求，而且也顺利的完成了两个发挥部分的内容，实现了对高度和角度的任意设定，并且定位非常精确。并且还自己发挥了部分内容：
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（1）有显示模块，用LCD液晶屏进行显示，不仅能够显示云台的当前状态（高度、左右角度等），而且通过键盘也可以设置状态。比如：我们将角度设置为90度，则正转时会看到云台顺时针转过了90度；反转时云台会逆时针转过了90度。设置为55度时，也可实现正反方向转动55度；我们在将高度设置为20cm，通过控制，则看到云台既可向上移动20cm，也可向下移动20cm。发挥部分也顺利完成。
（2）我们自制了稳压电源模块，成功的将220V的交流电源，通过L7812稳压芯片和L7805稳压芯片转换得到了电机驱动电源12V和各种芯片电源；比如：驱动芯片LM298和LM297的5V电源；AT89S52单片机的5V电源。
（3）我们还为云台控制装置附加了一个自动报警器。当超过预设范围时，报警器会自动报警。按复位健，报警立刻停止。
6 所用仪器及材料
本次电子设计大赛，一方面实验室的仪器设备有限，另一方面学校为了锻炼我们自己采购元器件的能力。所以我们要自己分析题意，根据题目要实现什么功能，需要购买哪些元器件，然后去购买相应的元器件。本装置中，我们用到的元器件如下表所示：
名 称 AT89S52 单片机 LM298 芯片 LM297 芯片 L7812 芯片 L7805 芯片 LM324N运算放大器 LCD液晶显示屏 直流步进电机 滑轮 木质底座 数 量 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 16
云台 电源 变压器 蜂鸣器 可调电阻 传感器 二极管 UPVC管 导线
1 1 1 1 若干 若干 若干 若干 若干 7 总结
通过本次的电子设计比赛，我们受益匪浅。不用说我们在其中学到的新知识是多么有价值，也不用说它拓宽了多少我们的眼界，只是说它让我们的能力得到的提高就已足以成为我们努力付出的回报。电子设计大赛不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对比赛的过程做一下简单的总结。
第一，接到任务以后进行选题。选题是电子设计大赛的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个比赛是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选题时一定要考虑好了。
第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做设计大赛的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。
第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作
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的铺垫。我们小组既有明确的分工，又有很好的合作。通常团队的合作是至关重要的，它往往决定了一个比赛的成败。我们组长主要负责软件部分，我主要负责写报告，另一位同学主要负责硬件部分。在我们的默契的配合下，终于圆满完成了此次大赛。那个兴奋劲自然不言而喻了。
通过这次设计，我们对数字电路设计和单片机有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分及单片机方面的内容。在这次比赛中也使我们的同学关系更进一步了，队友之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢我的队友，我从他们身上学到了很多东西。希望以后有更多这样锻炼的机会。
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参考文献
【1】关振彪编。《机电综合设计指导》，湛江，湛江海洋大学。2002年 【2】沈红卫编著。《单片机应用系统设计实例与分析》，北京，北京航空航天大学出版社，2003年1月
【3】耿长清主编，《单片机应用技术》，北京，化学工业出版社，2002.7 【4】李朝青编著，《PC机及单片机数据通信技术》，北京，北京航空航天大学出版社，2000.12
【5】何立民编著，《单片机高级教程－应用与设计》，北京，北京航空航天大学出版社，2001.
【6】张崇巍，李汉强。 运动控制系统[M] 。 武汉：武汉理工大学出版社，2002。
【7】刘宝延。 步进电动机及其驱动控制系统[M] 。 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997。
【8】王俊风,雷斌.卡尔曼预测在自动跟踪云台中应用.国外电子测量技术，2006,25(10)：53-55.
致谢
在此要感谢我们的指导老师，他们日夜不离的陪伴着我们。感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个比赛过程中我们懂得了许多东西，也培养了我们独立工作的能力和团队合作的能力，树立了我们的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了我们的动手的能力，使我们充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然我们不知评审结果如何，但是在整个比赛过程中所学到的东西就是我们的最大收获和财富，使我们终身受益。再次谢谢老师和院领导给我们提供这样一个锻炼自己的好机会！
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