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(dòng)的方法，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的智能控制云臺(tái)。該云臺(tái)只在有人進(jìn)入傳感器監(jiān)測(cè)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(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤監(jiān)控，無需人控制，成本低，與現(xiàn)在市面上的云臺(tái)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(cè)試該云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)有人時(shí)工作和自動(dòng)追蹤監(jiān)控，驗(yàn)證了方案的可行性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；步進(jìn)電機(jī)；智能控制

    隨著現(xiàn)代社會(huì)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(huì)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(tái)。云臺(tái)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(gè)交流或直流電機(jī)組成的安裝平臺(tái)，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(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，這樣的云臺(tái)控制起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不節(jié)能。為此，在做一定的市場(chǎng)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(tái)。該云臺(tái)能根據(jù)設(shè)防區(qū)域內(nèi)安裝的多個(gè)傳感器采集的信息去控制由步進(jìn)電機(jī)組成的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要入侵者進(jìn)入設(shè)防區(qū)域云臺(tái)就工作，人移動(dòng)超過一定的距離，電機(jī)就轉(zhuǎn)帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)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(dòng)度數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)系統(tǒng)主要由人體紅外傳感器、主控芯片、驅(qū)動(dòng)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(gè)傳感器以云臺(tái)為中心組成多點(diǎn)信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，采集云臺(tái)四周(設(shè)計(jì)為八個(gè)方向，每個(gè)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(dòng)電路，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)追蹤監(jiān)控。

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)
2．1 主控芯片與驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器，共有4個(gè)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(hào)，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(hào)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(cè)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(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而帶動(dòng)云臺(tái)上的攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)控制。電機(jī)選用四相步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)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(dòng)角度不同，驅(qū)動(dòng)原理完全一樣。

    圖2所示為主控芯片與水平方向驅(qū)動(dòng)電路，在電路中為避免電機(jī)工作時(shí)對(duì)單片機(jī)的干擾，驅(qū)動(dòng)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。
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(cè)出人體或動(dòng)物輻射的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出的傳感器。BIS0001是一種高性能的信號(hào)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(dòng)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(hào)監(jiān)測(cè)電路，電路中PIR采用LHl778來監(jiān)測(cè)人體紅外信號(hào)，采集的信號(hào)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(duì)設(shè)防區(qū)域的信號(hào)采集。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)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(duì)感應(yīng)距離的控制，默認(rèn)為5 m；調(diào)節(jié)Rp3控制信號(hào)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(hào)的輸出封鎖時(shí)間(Ti)，監(jiān)測(cè)電路在這個(gè)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(cè)電路的探測(cè)周期。實(shí)物中對(duì)PIR探頭做了兩種處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)測(cè)面積的控制。當(dāng)套用自制的金屬框時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)半徑為5 m，45°的扇形區(qū)域的探測(cè)，套用內(nèi)徑為7 cm的空心金屬套筒時(shí)，探測(cè)范圍變成一條長(zhǎng)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(tái)
    步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)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(hào)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：?jiǎn)嗡呐?、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(duì)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(gè)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(tái)由一個(gè)豎直放置和一個(gè)水平放置的步進(jìn)電機(jī)組成，即云臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)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(duì)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(cè)區(qū)域時(shí)，單片機(jī)一直處于掃描輸入信號(hào)狀態(tài)，傳感器輸入到單片機(jī)的信號(hào)一直為低，當(dāng)有人進(jìn)入任意傳感器檢測(cè)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(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)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(hào)；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(duì)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(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)。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(duì)采集信號(hào)的處理運(yùn)算方式和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同。

4 功能測(cè)試
4．1 測(cè)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(cè)試驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試中監(jiān)測(cè)了以云臺(tái)為中心八個(gè)方向，每個(gè)方向?yàn)?5°的扇形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，共16個(gè)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(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)試中以A1A2，B1B2，C1C2，D1D2，E1E2，F(xiàn)1F2，G1G2，H1H2分別代表八個(gè)方向，下標(biāo)1表示距離中心最近的一圈探測(cè)點(diǎn)(如A1～H1)，下標(biāo)2表示離中心稍遠(yuǎn)的一圈探測(cè)點(diǎn)(如A2～H2)，16個(gè)點(diǎn)構(gòu)成以云臺(tái)為圓心的極坐標(biāo)系，在這16個(gè)位置中進(jìn)行測(cè)試，設(shè)攝像頭初始位置為A1區(qū)域。

4．2 測(cè)試結(jié)果分析
    從測(cè)試過程可以看出此云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)智能控制監(jiān)控?cái)z像，將云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程與人闖入的位置結(jié)合分析得出一些測(cè)試數(shù)據(jù)，表明該云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，轉(zhuǎn)動(dòng)精確，表1所示為測(cè)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(tái)最近的探測(cè)點(diǎn)；二環(huán)表示下標(biāo)為2，離云臺(tái)稍遠(yuǎn)的探測(cè)點(diǎn)，水平代表水平方向，豎直代表上下方向。

    無人進(jìn)入傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，云臺(tái)上的攝像頭停留在初始位置不動(dòng)，當(dāng)人從以云臺(tái)為中心的8個(gè)方向中任意方向進(jìn)入傳感器探測(cè)區(qū)域時(shí)，電機(jī)能帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)水平左右，豎直上下轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)試和數(shù)據(jù)分析表明，該智能控制云臺(tái)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(hào)采集電路和L298N驅(qū)動(dòng)電路去控制云臺(tái)，對(duì)進(jìn)入設(shè)防區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的入侵者進(jìn)行全方位自動(dòng)追蹤攝像。該云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)相比，該云臺(tái)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(tái)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。