發布日期：2022-04-20 點擊率：52
引言
導彈武器和航天飛行器在試驗階段要模擬各種機械沖擊,而發射點火、飛行過程中預定功能部件的分離和分系統試驗往往必須在幾秒鐘內完成,因此需要高速攝像系統進行記錄和分析。高速攝像機采用的是美國Phantom公司的V12型號,每秒鐘拍攝速度可達6000幀。目前工作中使用的高速攝像系統采用的攝影鏡頭卡口為NikonF卡口,這是一種20世紀八九十年代應用的機械攝影鏡頭,鏡頭的變焦和調焦都是手動調節,通過觀察取景器進行構圖和對焦。但是,在某些特定環境,例如真空環境或者惡劣環境下應用高速攝像機時,需要對攝像系統進行密封防護,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,設計出了可以對老式手動機械鏡頭進行電力驅動的系統,使之可以適應新的特定工作環境。
由單片機來控制步進電機的應用非常廣泛,目前在現代軍事、精密機械加工、航天航空等領域此類應用已經越來越深入。用80C51單片機來控制步進電機的轉動,進而驅動鏡頭調焦環的扭轉,可以實現自動/半自動調焦的功能。
1系統硬件設計
1.1基于單片機的控制系統設計
單片機是整個電路設計中的核心裝置,其主要功能為產生脈沖,從而控制步進電機工作。設計可以用軟、硬件結合的方式,傳統的環形分配器由軟件部分替代,可以提高效率,使單片機實現最優控制。基于單片機的強大功能,可以設計出外圍電路,由外圍電路產生脈沖,控制步進電機,并處理電機驅動電流檢測模塊檢測到的電流值[1],再將檢測內容通過數碼管顯示出來。
系統的核心采用51系列單片機,完成測距數據判讀、步進電機控制、反饋信號比較等工作。外圍電路包括AD/DA轉換、數據指示、手動輸入接口、電機驅動等。利用專業的電機驅動模塊1298構成整個系統的驅動單元。控制步進電機轉動的脈沖信號電流是通過單片機的軟件部分進行編程輸出的,步進電機的旋轉角度與脈沖的個數成正比[2]。步進電機可以進行正向、反向轉動調節,其轉動方向與勵磁脈沖產生順序有關。
單片機同時負責處理安全模塊中驅動電流檢測模塊反饋的電流值[3],并利用數碼管將電機轉速、轉動方向顯示出來。本系統采用了較為常見的五線四相步進電機,以實現對鏡頭調焦環的驅動。根據選定的步進電機相數,確定80C51單片機所需的相位信息。一般的步進電機需要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,因此要在單片機和步進電機之間增加隔離電路和放大電路,以實現系統預期功能。
單片機的控制系統框圖如圖1所示。
1.2系統整體設計模型
系統組成還包括測距器、編碼盤、反饋電路、手動調節接口和相關支撐結構等。其中測距器與鏡頭同軸安裝,采用超聲波或激光測距模塊,為鏡頭驅動系統提供數據支持,步進電機經過齒輪減速和扭矩放大后,通過橡膠齒輪驅動鏡頭的變焦環和聚焦環,在步進電機的輸出輪上加裝編碼盤,輸出輪的編碼盤與鏡頭機械調焦環上的距離標尺應存在對應關系,安裝前通過確定場景對距離和視角進行標校,找出每種鏡頭存在的不同的對應關系,通過分支程序進行選擇,以適應不同的鏡頭工作。測量出旋轉的角度,經過A/D轉換后作為反饋輸入至單片機,以形成閉環控制系統。系統整體設計框圖如圖2所示。
1.2.1系統輸入/輸出單元
系統輸入的功能是便于設置調節步進電機的系統參數,使系統操作更為靈活方便,輸入設備可以使用鍵盤。顯示設備選用數碼管,用于顯示當前的控制狀態和電機運行狀態。
1.2.2通信電路
通信電路是控制單片機與計算機通信、用來編程的電路部分,通常包括USB接口轉串行通信電路、標準串行通信電路、看門狗模塊等,本設計中采用成熟的電路模塊。
1.2.3測距單元
在實際應用中,需要測量得到試驗件到攝像機靶面的距離。
本文選擇HC-SR04超聲波測距模塊進行測量輸入,超聲波測距的優勢在于其指向性好,可以傳輸較遠距離,不容易受周圍環境影響,傳播時間易于計算。同時,超聲波傳感器模塊還具有結構簡單、性能可靠、成本低、易于集成的特點[5],因而在工程中應用廣泛。
如圖3所示,超聲波測距模塊包括超聲波發射單元及超聲波接收單元等。作為核心的控制系統,單片機在測量過程中輸出一個約40kHz的脈沖信號,驅動超聲波發射器發出超聲波脈沖,同時通過單片機計時器進行計時。超聲波遇到目標后反向回傳,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射到接收的時間參數t,進一步可計算出傳播距離,即鏡頭靶面到目標的距離。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:通過設定好的單片機I/0口給HC-SR04超聲波測距模塊的觸發口發送一個不小于10μs的高電平信號,超聲波測距模塊收到觸發信號后會通過發射端口發送8個40kHz的方波信號,同時檢測是否有信號返回,當有信號返回時,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時間即超聲波信號從發射端到被測量物體由發射到返回的時間,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前環境溫度有關,環境溫度每升高1℃,聲速約加快0.6m/s,表l給出了超聲波聲速與環境溫度的關系。由于本文只涉及常溫環境,所以只列出了-l0～40℃的數據。
超聲波測距模塊的觸發接在單片機的P2.1管腳上,ECH0接在單片機的P3.2管腳上,以下是全局變量中關于測距模塊的管腳定義:
通過對環境溫度與超聲波速度的關系進行擬合計算,可以得到以下經驗公式:
式中:V為當前環境溫度聲速:7為當前環境溫度。
1.2.4步進電機
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件[7],本系統選擇四相八拍步進電機28BYJ-48。使用脈沖控制步進電機運行,如果控制脈沖連續施加,步進電機也會不間斷運行。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行,本系統選用的步進電機按如下方式運行,即正轉時為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA順序,反轉時為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。每發一個脈沖給步進電機,它就轉一步,步進電機的轉速與兩個脈沖的間隔時間有關,間隔越短則步進電機轉得越快。因此,調整單片機發出脈沖的頻率,就可以對步進電機進行調速設置。
1.2.5驅動電路
步進電機的驅動選用達林頓驅動器ULN2003。由于單片機接口信號需經過放大后才能連到相應的電機接口,因此通過ULN2003起到信號放大的作用。當鍵盤發出前進或后退指令后,經過單片機的處理,發出高速脈沖給步進電機的驅動電路,步進電機根據脈沖數精確運轉。
本文中,28BYJ-48型步進電機采用四相五線制,通過ULN2003驅動芯片連接到80C51單片機的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:
單片機驅動步進電機的基本原理:從單片機的輸出管腳按需要發送方波脈沖信號,經過ULN2003芯片放大后驅動電機旋轉。本文中選用80C51單片機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。
步進電機的速度計算公式為:
運轉速度g(脈沖頻率×60/步進電機分割數）/減速比64步進電機分割數g360/6.625
四相八拍步進電機運行時,Ng8:齒距角:Oag2π/Z,其中Z為轉子的齒數:步距角(為轉子走一步轉過的角度）:OzgOa/Ng2π/NZg360/(8×50）g0.n°,則步進電機轉一圈所需步進數: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換電路構成,碼盤是反饋單元重要的組成部分,是一種測量角位移的數字編碼器,光柵識別器檢測碼盤轉過的步數,通過轉換電路變換后,將測量到的鏡頭轉角反饋給單片機。
2系統軟件程序設計
硬件平臺設計完畢后,需要根據硬件電路對單片機進行系統編程,以滿足操作和控制需求,保證各部分電路可以根據控制信號正常進行工作。
步進電機應用C語言程序設計流程圖如圖5所示。利用實驗板上的獨立按鍵控制步進電機正轉、反轉、加速、減速。驅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,在實驗板數碼管上象征性地顯示轉速。
以下給出步進電機驅動的核心程序:
3電機負載程度分析
電機負載與減速器、傳動部分和鏡頭調焦環的阻尼有關。
機械鏡頭的調焦環是安置在鏡頭外側與鏡頭外徑尺寸相當的一個旋轉部件,不同的鏡頭尺寸不同,通常從最近對焦距離調整至無窮遠需轉動180°～270°。
使用NikonAF80-200mm攝影鏡頭,橡膠齒輪為117齒,步進電機齒輪為14齒,電機傳動比為1:8.4。本文鏡頭從焦距最遠端至最近端旋轉約108°,步進電機旋轉約160轉。
4試驗結果
電力驅動系統全圖和試驗現場照片分別如圖6和圖7所示,在試驗現場溫度為25.6C、測量距離為3.16m的情況下,電機運動步數為5568步,此過程用時14s。
圖6系統全圖
圖7最小系統調試現場圖
5結語
本文詳細介紹了基于單片機控制步進電機的手動鏡頭電力驅動系統,系統可在密封罩內使用,以應對特殊環境。采用80C51單片機作為控制核心,利用其將按鍵電路和顯示電路結合起來,組成一個操作方便、交互性強的控制系統。系統軟件采用C語言編程,具有易維護性,可以根據用戶不同需求對軟件進行少量修改,使系統功能得到進一步改善,使用、維護成本低于自動鏡頭。另外,將來如采用激光測距模塊取代超聲波測距模塊,則能進一步擴大系統適用范圍,比如在真空及水下環境應用,此方面的研究具有實際工程意義,可以進一步深入開展。
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