李建：基于单片机的云台控制系统设计
的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
图2-1 四相步进电机步进示意图
四相步进电机按照通电顺序的不同，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。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2 a、b、c所示：
a.
单
四
拍
b.
双
四
拍 c八拍
图2-2步进电机工作时序波形图
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： ◆控制换相顺序
通电换向这一过程称为脉冲分配。对于四相步进电机而言，其各相通电顺序如图2.4所示，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D、A 、
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B C、D相的通断。 ◆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。
◆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。
2.2.2 步进电机主要技术指标
选择步进电机需要根据实际需要和技术指标综合考虑。步进电机只有在满足额定的工作条件下，才可以正常工作。主要技术指标有：
（1）工作电压：即步进电机工作所需要的工作电压。
绕组电流：只有绕组有电流时，才能建立磁场，且不同相上电流的有无决定步进电机的步进。不同的步进电机，其额定绕组电流也不一样。功率小的有几百毫安，功率大的以安培计。步进电机工作时，应使其工作在此电流下。
（2）转动力矩：转动力矩是指在额定条件下（电压、电流），步进电机的轴上所能产生的转矩，单位通常为牛顿每厘米(N/cm)。转动力矩会随转动的升高而下降，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高反向电动势越大，在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（3）保持转矩：保持转矩是指步进电机通电但是没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩岁转速增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的重要参数。
（4）步进角：步进电机每走一步实际上就是转子转一个角度。不同的电机，每步转动的角度不一样。小的有0.5度每步、1.5度每步，大的到15度每步。在应用中可根据用户的需求选用。
（5）精度：一般步进电机的进度为步进角的3～5%，且不积累。采用细分技
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术可以提高电机的运转精度。细分技术实质上是一种电子阻尼技术，起主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。
（6）工作频率：即步进电机每秒钟走的额定步数。由于步进电机的走步实际上是转子的机械运动，不可能很快。例如，有的工作频率为500Hz，就意味着每走一步需要2ms。目前频率高的可达10KHz。但是总的来说步进电机的速度是十分慢的。
（7）空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢失或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要是电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速到高速）。
（8）激励方式：以四相电机为例，驱动它的激励方式有1相、2相、1-2相三种。1相激励方式是指每一时刻4相中只有一相导通，步进电机以此工作方式工作时，温升较高，电源功率功耗小，但是当速度较高时容易产生失步；2相激励方式是指每一时刻4相中都有两相导通，然后按4相的顺序循环；1-2相激励方式是指驱动时一相导通和两相导通交替出现的。
（9）外表温度：步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。
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第3章 总体方案
3.1云台控制系统简析
云台在任意位置，按下启动按钮，云台将依次完成向上→左行→向下→右行四个动作，逆时针方向旋转实现云台一个周期的动作。在转动的同时还可以手动控制云台。为了限制云台转动的范围，云台的向上、左转、向下和右转动作转换靠限位开关来控制。
本设计主要是设计云台的转动，并能按一定的要求动作。起动时，云台从原点开始按顺序动作，停止时，云台停在现行位置上，重新起动时，云台按停止前的动作继续进行。
为满足控制要求，云台转动设置手动方式和自动工作方式两种。 （1）手动工作方式。利用按钮对云台的每一步进行单独控制，例如，按“向下”按钮，云台使摄像头向下；按“向右”按钮，云台使摄像头向右。
（2）连续工作方式。云台在原位时，按下“自动”按钮，云台自动连续的执行周期动作。当按下停止按钮式，云台保持当前状态，重新恢复后云台按停止前的动作继续进行工作。
3.2控制系统实现
根据云台的结构和工作特点，其执行机构是步进电机，同时系统与上位机需要进行信息交换，本设计选用单片机系统来进行实现。由于单片机的种类很多，在选择单片机是要依据实际设计要求选择合适的单片机，在本系统设计中，选用了ATMEL公司生成的AT89C52型号单片机。
云台运行有自动运行和手动运行模式，同时受上位机控制，所以该系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块、远程控制模块等构成。控制系统具体的结构示意图如图3-1所示。此系统的硬件由AT89C52单片机、键盘、PC机、ULN2003A、步进电机组成。整体结构如图3-1所示。本系统的总体设计思路：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。
单片机控制模块是本设计的核心。它的工作包括处理键盘输入、响应PC串
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口中断、控制电机运行等。
键盘模块完成的是控制信息的输入功能。在本系统中采用了独立式键盘，而不采用矩阵键盘，这样可以简化软硬件设计，而且能够满足系统要求。
电机驱动模块是本系统的执行机构，用于控制监控摄像机的运动。本系统中对云台电机的转速没有要求，所以在本系统中没有启用步进电机专用的驱动器，这样不仅可以节约成本，而且可以减少工作量。单片机产生步进电机工作所需脉冲信号，脉冲信号通过一级功率放大电路后再送给步进电机，这样实现电机的控制。
远程控制模块是为了能够实现在微机操作室就能控制现场单片机，以控制步进电机。它是通过RS485总线实现的，PC将信息从串口发出，通过RS485总线将信息传送到现场的单片机，单片机通过处理得到PC控制指令，发出控制信息控制步进电机运行。
外围器件
PC RS485 AT89C52 ULN2003A 步进电机 图3-1 系统框图
键盘 11