引言
導(dǎo)彈武器和航天飛行器在試驗階段要模擬各種機(jī)械沖擊,而發(fā)射點火、飛行過程中預(yù)定功能部件的分離和分系統(tǒng)試驗往往必須在幾秒鐘內(nèi)完成,因此需要高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。高速攝像機(jī)采用的是美國Phantom公司的V12型號,每秒鐘拍攝速度可達(dá)6000幀。目前工作中使用的高速攝像系統(tǒng)采用的攝影鏡頭卡口為NikonF卡口,這是一種20世紀(jì)八九十年代應(yīng)用的機(jī)械攝影鏡頭,鏡頭的變焦和調(diào)焦都是手動調(diào)節(jié),通過觀察取景器進(jìn)行構(gòu)圖和對焦。但是,在某些特定環(huán)境,例如真空環(huán)境或者惡劣環(huán)境下應(yīng)用高速攝像機(jī)時,需要對攝像系統(tǒng)進(jìn)行密封防護(hù),這就造成接觸鏡頭困難。自動鏡頭價格昂貴,為了降低成本,解決手動鏡頭操作不便這一具體問題,設(shè)計出了可以對老式手動機(jī)械鏡頭進(jìn)行電力驅(qū)動的系統(tǒng),使之可以適應(yīng)新的特定工作環(huán)境。
由單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,目前在現(xiàn)代軍事、精密機(jī)械加工、航天航空等領(lǐng)域此類應(yīng)用已經(jīng)越來越深入。用80C51單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,進(jìn)而驅(qū)動鏡頭調(diào)焦環(huán)的扭轉(zhuǎn),可以實現(xiàn)自動/半自動調(diào)焦的功能。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計
單片機(jī)是整個電路設(shè)計中的核心裝置,其主要功能為產(chǎn)生脈沖,從而控制步進(jìn)電機(jī)工作。設(shè)計可以用軟、硬件結(jié)合的方式,傳統(tǒng)的環(huán)形分配器由軟件部分替代,可以提高效率,使單片機(jī)實現(xiàn)最優(yōu)控制。基于單片機(jī)的強(qiáng)大功能,可以設(shè)計出外圍電路,由外圍電路產(chǎn)生脈沖,控制步進(jìn)電機(jī),并處理電機(jī)驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值[1],再將檢測內(nèi)容通過數(shù)碼管顯示出來。
系統(tǒng)的核心采用51系列單片機(jī),完成測距數(shù)據(jù)判讀、步進(jìn)電機(jī)控制、反饋信號比較等工作。外圍電路包括AD/DA轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)指示、手動輸入接口、電機(jī)驅(qū)動等。利用專業(yè)的電機(jī)驅(qū)動模塊1298構(gòu)成整個系統(tǒng)的驅(qū)動單元。控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖信號電流是通過單片機(jī)的軟件部分進(jìn)行編程輸出的,步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與脈沖的個數(shù)成正比[2]。步進(jìn)電機(jī)可以進(jìn)行正向、反向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié),其轉(zhuǎn)動方向與勵磁脈沖產(chǎn)生順序有關(guān)。
單片機(jī)同時負(fù)責(zé)處理安全模塊中驅(qū)動電流檢測模塊反饋的電流值[3],并利用數(shù)碼管將電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向顯示出來。本系統(tǒng)采用了較為常見的五線四相步進(jìn)電機(jī),以實現(xiàn)對鏡頭調(diào)焦環(huán)的驅(qū)動。根據(jù)選定的步進(jìn)電機(jī)相數(shù),確定80C51單片機(jī)所需的相位信息。一般的步進(jìn)電機(jī)需要12V左右的電壓,對額定電壓的要求不高,但需要8A左右的電流,因此要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加隔離電路和放大電路,以實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能。
單片機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2系統(tǒng)整體設(shè)計模型
系統(tǒng)組成還包括測距器、編碼盤、反饋電路、手動調(diào)節(jié)接口和相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)等。其中測距器與鏡頭同軸安裝,采用超聲波或激光測距模塊,為鏡頭驅(qū)動系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過齒輪減速和扭矩放大后,通過橡膠齒輪驅(qū)動鏡頭的變焦環(huán)和聚焦環(huán),在步進(jìn)電機(jī)的輸出輪上加裝編碼盤,輸出輪的編碼盤與鏡頭機(jī)械調(diào)焦環(huán)上的距離標(biāo)尺應(yīng)存在對應(yīng)關(guān)系,安裝前通過確定場景對距離和視角進(jìn)行標(biāo)校,找出每種鏡頭存在的不同的對應(yīng)關(guān)系,通過分支程序進(jìn)行選擇,以適應(yīng)不同的鏡頭工作。測量出旋轉(zhuǎn)的角度,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后作為反饋輸入至單片機(jī),以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。
1.2.1系統(tǒng)輸入/輸出單元
系統(tǒng)輸入的功能是便于設(shè)置調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù),使系統(tǒng)操作更為靈活方便,輸入設(shè)備可以使用鍵盤。顯示設(shè)備選用數(shù)碼管,用于顯示當(dāng)前的控制狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。
1.2.2通信電路
通信電路是控制單片機(jī)與計算機(jī)通信、用來編程的電路部分,通常包括USB接口轉(zhuǎn)串行通信電路、標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路、看門狗模塊等,本設(shè)計中采用成熟的電路模塊。
1.2.3測距單元
在實際應(yīng)用中,需要測量得到試驗件到攝像機(jī)靶面的距離。
本文選擇HC-SR04超聲波測距模塊進(jìn)行測量輸入,超聲波測距的優(yōu)勢在于其指向性好,可以傳輸較遠(yuǎn)距離,不容易受周圍環(huán)境影響,傳播時間易于計算。同時,超聲波傳感器模塊還具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低、易于集成的特點[5],因而在工程中應(yīng)用廣泛。
如圖3所示,超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射單元及超聲波接收單元等。作為核心的控制系統(tǒng),單片機(jī)在測量過程中輸出一個約40kHz的脈沖信號,驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖,同時通過單片機(jī)計時器進(jìn)行計時。超聲波遇到目標(biāo)后反向回傳,超聲波接收器接收到空氣中回傳的超聲波,計時器停止計時。此時可知超聲波從發(fā)射到接收的時間參數(shù)t,進(jìn)一步可計算出傳播距離,即鏡頭靶面到目標(biāo)的距離。HC-SR04超聲波測距模塊如圖4所示。
超聲波測距模塊的工作原理:通過設(shè)定好的單片機(jī)I/0口給HC-SR04超聲波測距模塊的觸發(fā)口發(fā)送一個不小于10μs的高電平信號,超聲波測距模塊收到觸發(fā)信號后會通過發(fā)射端口發(fā)送8個40kHz的方波信號,同時檢測是否有信號返回,當(dāng)有信號返回時,通過超聲波測距模塊的ECH0端口輸出一個高電平信號,從ECH0端口檢測到的高電平信號的持續(xù)時間即超聲波信號從發(fā)射端到被測量物體由發(fā)射到返回的時間,由此可利用以下公式計算從超聲波模塊到被測量物體的距離:
超聲波在空氣中的傳播速度與當(dāng)前環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度每升高1℃,聲速約加快0.6m/s,表l給出了超聲波聲速與環(huán)境溫度的關(guān)系。由于本文只涉及常溫環(huán)境,所以只列出了-l0～40℃的數(shù)據(jù)。
超聲波測距模塊的觸發(fā)接在單片機(jī)的P2.1管腳上,ECH0接在單片機(jī)的P3.2管腳上,以下是全局變量中關(guān)于測距模塊的管腳定義:
通過對環(huán)境溫度與超聲波速度的關(guān)系進(jìn)行擬合計算,可以得到以下經(jīng)驗公式:
式中:V為當(dāng)前環(huán)境溫度聲速:7為當(dāng)前環(huán)境溫度。
1.2.4步進(jìn)電機(jī)
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[7],本系統(tǒng)選擇四相八拍步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48。使用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,如果控制脈沖連續(xù)施加,步進(jìn)電機(jī)也會不間斷運(yùn)行。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行,本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)按如下方式運(yùn)行,即正轉(zhuǎn)時為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA順序,反轉(zhuǎn)時為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。通電控制脈沖的順序決定了A、B、C、D相何時通電和斷電。每發(fā)一個脈沖給步進(jìn)電機(jī),它就轉(zhuǎn)一步,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與兩個脈沖的間隔時間有關(guān),間隔越短則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。因此,調(diào)整單片機(jī)發(fā)出脈沖的頻率,就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速設(shè)置。
1.2.5驅(qū)動電路
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動選用達(dá)林頓驅(qū)動器ULN2003。由于單片機(jī)接口信號需經(jīng)過放大后才能連到相應(yīng)的電機(jī)接口,因此通過ULN2003起到信號放大的作用。當(dāng)鍵盤發(fā)出前進(jìn)或后退指令后,經(jīng)過單片機(jī)的處理,發(fā)出高速脈沖給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖數(shù)精確運(yùn)轉(zhuǎn)。
本文中,28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)采用四相五線制,通過ULN2003驅(qū)動芯片連接到80C51單片機(jī)的P1.4～P1.7輸出管腳上,采用四相八拍工作方式,以下給出四相定義全局變量:
單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的基本原理:從單片機(jī)的輸出管腳按需要發(fā)送方波脈沖信號,經(jīng)過ULN2003芯片放大后驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本文中選用80C51單片機(jī)P1口的4、5、6、7四個管腳輸出方波信號,A1、B1、C1、D1為定義好的全局變量。stop一flr為停止按鍵按下信號。
步進(jìn)電機(jī)的速度計算公式為:
運(yùn)轉(zhuǎn)速度g(脈沖頻率×60/步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)）/減速比64步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)g360/6.625
四相八拍步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時,Ng8:齒距角:Oag2π/Z,其中Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù):步距角(為轉(zhuǎn)子走一步轉(zhuǎn)過的角度）:OzgOa/Ng2π/NZg360/(8×50）g0.n°,則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需步進(jìn)數(shù):360/0.ng400。
1.2.6反饋電路
反饋電路由光柵碼盤、光柵識別器和光電轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,碼盤是反饋單元重要的組成部分,是一種測量角位移的數(shù)字編碼器,光柵識別器檢測碼盤轉(zhuǎn)過的步數(shù),通過轉(zhuǎn)換電路變換后,將測量到的鏡頭轉(zhuǎn)角反饋給單片機(jī)。
2系統(tǒng)軟件程序設(shè)計
硬件平臺設(shè)計完畢后,需要根據(jù)硬件電路對單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)編程,以滿足操作和控制需求,保證各部分電路可以根據(jù)控制信號正常進(jìn)行工作。
步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用C語言程序設(shè)計流程圖如圖5所示。利用實驗板上的獨立按鍵控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。驅(qū)動方式采用一相勵磁,即4條信號線每次只有一個為高電平,在實驗板數(shù)碼管上象征性地顯示轉(zhuǎn)速。
以下給出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的核心程序:
3電機(jī)負(fù)載程度分析
電機(jī)負(fù)載與減速器、傳動部分和鏡頭調(diào)焦環(huán)的阻尼有關(guān)。
機(jī)械鏡頭的調(diào)焦環(huán)是安置在鏡頭外側(cè)與鏡頭外徑尺寸相當(dāng)?shù)囊粋€旋轉(zhuǎn)部件,不同的鏡頭尺寸不同,通常從最近對焦距離調(diào)整至無窮遠(yuǎn)需轉(zhuǎn)動180°～270°。
使用NikonAF80-200mm攝影鏡頭,橡膠齒輪為117齒,步進(jìn)電機(jī)齒輪為14齒,電機(jī)傳動比為1:8.4。本文鏡頭從焦距最遠(yuǎn)端至最近端旋轉(zhuǎn)約108°,步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)約160轉(zhuǎn)。
4試驗結(jié)果
電力驅(qū)動系統(tǒng)全圖和試驗現(xiàn)場照片分別如圖6和圖7所示,在試驗現(xiàn)場溫度為25.6C、測量距離為3.16m的情況下,電機(jī)運(yùn)動步數(shù)為5568步,此過程用時14s。
圖6系統(tǒng)全圖
圖7最小系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場圖
5結(jié)語
本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的手動鏡頭電力驅(qū)動系統(tǒng),系統(tǒng)可在密封罩內(nèi)使用,以應(yīng)對特殊環(huán)境。采用80C51單片機(jī)作為控制核心,利用其將按鍵電路和顯示電路結(jié)合起來,組成一個操作方便、交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用C語言編程,具有易維護(hù)性,可以根據(jù)用戶不同需求對軟件進(jìn)行少量修改,使系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步改善,使用、維護(hù)成本低于自動鏡頭。另外,將來如采用激光測距模塊取代超聲波測距模塊,則能進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)適用范圍,比如在真空及水下環(huán)境應(yīng)用,此方面的研究具有實際工程意義,可以進(jìn)一步深入開展。
