基于单片机控制的CCD随动系统设计

基于单片机控制的CCD 随动系统设计
杨辉媛1
,代文武2
,张榜英
1
(1.吉首大学物理科学与信息工程学院,湖南省吉首市416000;
2.张家界慈利第二中学,湖南省慈利县427200)
摘　要:介绍了以单片微型机控制的CCD (电荷耦合器件)随动系统。

该系统采用AT89C51单片机作为控制核心,ADC0804与单片机采用从主模式,由单片机读取ADC0804的转换结果,经处理后的数字信号经单片机处理后送入步进电机驱动,驱动步进电机,使其进行方位随动。

实际应用表明,该系统具有可靠性较高、稳定性能好、性价比高等特点。

关键词:随动系统;步进电机;旋转变压器;CCD 中图分类号:TP275
收稿日期:2009210209。

0　引　言
位置随动系统又称伺服系统,主要用于解决位置跟随的控制问题,其根本任务是通过执行机构实现被控量(输出位置)对给定量(指令位置)的及时和准确跟踪,并要具有足够的控制精度。

而基于单片机的应用系统,具有体积小、重量轻、性价比高、可靠性较高等优点,把可编程控制的单片机应用于CCD (电荷耦合器件)随动系统,使其具有较大程度的可改变性,从而可以更好地控制系统的随动性能、降低开发难度和生产成本。

随着随动控制系统的应用日渐广泛,人们对系统的要求也越来越高,如安全性、轻巧性、性价比等。

通过单片机开发的随动系统,恰好能够满足实际的需要,而且用单片机开发的随动系统也具有高稳定性和可以通过编程以进行控制和升级等特性。

1　电路设计原理
用AT89C51控制的CCD 随动系统中,为了提高
车辆(比如装甲战车、坦克、工程车和轿车等)的适时性和安全性,拟在车辆上装备CCD,要求CCD 的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动,而CCD 安装在由步进电机带动的旋转台上,方向盘上安装测角组件(旋转变压器),车辆驾驶过程中,随着方向盘的旋转,旋转变压器发送相应的角度信号传入A /D 转换模块,将旋转变压器传入的模拟信号转换为数字信号,再送到AT89C51,由AT89C51处理接收到的旋转变压器的信号,发出步进脉冲及方向电平,再让步进电机驱动器控制步进电机转动方向和转动角度,从而使车辆行进的方向与观察视角保持一致。

在该设计中,由于该系统
要求采样误差不得高于1%,步进精度不得低于2°,所以选用的A /D 转换芯片其采样输出至少要在8位以上,在此,采用8位的A /D 转换芯片ADC0804,采用双极性两相步进电机和相应的驱动电路。

因篇幅所限,仅给出硬件电路的设计方案,硬件电路原理方框图如图1所示。

图1　硬件电路原理方框图
整个系统的硬件电路如图2所示。

2　电路部件设计
2.1　系统中央电路
由于系统的工作需要最基本的单片机最小系统的
支持,所以图1中包括了单片机最小系统以及其他电气连接。

整个中央控制电路硬件电路如图3所示。

2.2　中央处理电路
AT89C51为AT MEL 公司推出的Flash 单片机,采
用C MOS 工艺,来源于8051系列而优于8051系列,并且内部含有Flash 内存的单片机,在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域均获得较大的应用。

对51系列单片机来说,为了使单片机正常工作,至少需要一个最小系统。

在51系列单片机中,单片机芯片+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。

但是一般在设计中总是喜欢把按键输入、显示输出等加到上述电路中,成为小系统。

因为在设计中,并不需要键盘和显示器等外围器件,只要求设计达到随动的要求即可,所以最小系统在此只包括单片机、晶振电路和复位电路。

第35卷第12期2009年12月 信息化研究　I nf or matizati on Research Vol .35No .12Dec .2009
应用C51系列单片机设计并制作一个单片机最小系统,应达到如下基本要求:
a)具有上电复位和手动复位功能。

b)使用单片机片内程序内存。

c)为了达到较高的精度、速度以及稳定性,晶振频率选用12MHz,晶振电路中选用的电容器C1、C2的容量均为10pF。

而在复位电路中,电阻器R17、R18选用阻值都为10kΩ,电容为10μF。

连接好相应的引脚,并仿真测试复位是否正常。

2.3　步进电机
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电组件,它实质上是一种多相或单相同步电动机。

由于步进电动机能直接接受数字量输入,所以特别适合微机控制。

步进电机由专用的驱动器驱
第35卷第12期杨辉媛,等:基于单片机控制的CCD随动系统设计・研究与设计・
动,而驱动器的输出由脉冲信号和方向电平控制。

每一个脉冲使步进电机转动一个固定的角度,这个角度称为步进角。

脉冲个数决定旋转角度,脉冲频率决定旋转速度,方向电平决定旋转方向。

因此,通过脉冲数量和方向电平的控制能较精确地控制步进电机的旋转角度和方向。

步进电机的运动靠定子线圈激磁后,将临近转子上的相异磁极吸引过来实现的。

因此,线圈排列的顺序和激磁信号的顺序很重要。

以2相式步进电机为例,其驱动信号有1相驱动、2相驱动与122相驱动3种。

本文采用2相驱动。

2相驱动是在任何时候有2组线圈同时被激磁,因此,其所产生的力矩比1相和1-2相驱动都大。

其信号依次见图4。

图4　两相驱动信号示意图
总共有4种不同的信号,呈现周期性的变化。

在AT89C51中,若要产生这种信号,可以首先输出
“00110011B ”,即“33H ”。

经过小段时间的延迟,让步进电机有足够的时间来建立磁场和运动,再以“RL A ”
或“RR A ”指令将“00110011B ”左移(或右移),使之变为“01100110B ”(或“10011001B ”),再输出即可。

2.3.1　步进电机的定位
打开个人计算机,计算机上的软驱会动一下,连接该计算机的外围设备,也会有所反应。

不管是动一下、闪一下或是反应一下,都是RESET 动作,让所有设备归为一定的状态。

步进电机是一种数字输出设备,这种设备在使用之前必须归零或定位,才能精确地使用。

同样的驱动信号,如果一开始步进电机的转子位置不对,则可能发生如下2种非预期状态:一是先顺时钟转再逆时针转;二是先抖动,顺时钟转再逆时针转。

首先定位或归零。

本方案中采用的是2相驱动,为了实现精确定位,必须在步进电机开始运动之前送出“1000”、“0100”、“0010”、“0001”这4个驱动信号。

2.3.2　步进电机控制与驱动设计
89C51的输出电压和电流均很小,其功率也不能
达到实际的要求,不足以驱动步进电机,所以在数字脉冲送入步进电机之前,必须对其功率进行放大,才能驱动步进电机运转。

本方案中步进电机的驱动电路芯片由L297和L298构成,其所加电压为36V,输出电流也可以进行调节。

对于绝大多数步进电机来说,其输出功率都足以驱动其运转。

L297作为一种步进电机控制芯片,可以在控制系
统中为双极性的2相步进电机以及单极性的4相步进电机产生4相的驱动信号。

L298是一款具有高电压,高电流的双全步驱动芯
片,可以接受标准的TT L 电平输入,用来驱动继电器、螺线管、直流电机和步进电机等电感性设备。

2.3.3　步进电机驱动电路连接
如上所述,可以用L297和L298组成所需要的步进电机驱动电路。

其中,L298用来把单片机送出的步进脉冲转换成并行数据送到L298,再由L298驱动步进电机旋转。

根据芯片的需求,通过芯片外接相应的独立组件,以使L298和L297正常工作。

单片机对步进驱动电路的控制可以通过对L297的控制来实现。

相应的控制线连接方式为:L297的RESET 连接到89C51的P3.3,通过单片机实现对L297的复位操作;L297的E NABLE 连接到89C51的P3.2,控制L297的工作与否;L297的F ULL 连接到89C51的P3.1,控制驱动的模式;L297的C W 连接到P3.0,控制步进电机的转动方向。

步进电机的电源输入由L298的VCC 端供给,而L297的参考电压采用与ADC0804一致,为2.5V 电压,在此,在ADC0804部分设计了一个可用于全局的参考电压产生电路,如果需要,可以通过调节参考电路的分压电阻值,调节其输出电压,以改变L297的最大负载电流。

2.4　正余弦旋转变压器
正余弦旋转变压器实质上是可以随意改变一次绕组和二次绕组耦合程度的变压器,其结构与绕线转子异步电动机相似。

正余弦旋转变压器的转子输出电压与转子转角θ呈正弦或余弦关系,可用于坐标变换、三角运算、单相移相器、角度数字转换、角度数据传输等场合。

定子、转子铁芯中各有互相垂直的分布绕组,转子绕组利用滑环和电刷与外电路连接。

当一次绕组励磁后,二次绕组的输出信号与转子转角成正余弦函数关系,在控制系统中用于角度数据传输。

旋转变压器的结构与绕线式异步电机相似,由定子和转子组成。

在一次(励磁)绕组D1、D2上施加交流励磁电压U S 1,D3、D4绕组短路,则建立磁通势F 而产生脉振磁场,当转子在原来的基准电气零位逆时针转过角度θ时,二次(输出)绕组Z1、Z2和Z3、Z4的输出电压为:
U R1=K U U S1co s θ
U R2=K U U S1sin
θ(1)
式中:K U 为变比,即空载最大输出电压与励磁电压之比;θ为转子转角,即励磁绕组轴线与余弦输出绕组轴线间的夹角。

由式(1),称转子的Z3、Z4绕组为余弦绕组,Z1、Z2绕组为正弦绕组。

为了使正余弦旋转变压器负载
・研究与设计・信息化研究2009年12月
时的输出电压不会产生畸变,仍是转角的正余弦函数,则希望转子正余弦绕组的负载阻抗相等;希望定子上的D3、D4绕组自行短接,以补偿由于负载电流引起的与垂直方向的输出电压畸变的磁通势,因此,D3、D4绕组也称补偿绕组。

旋转变压器是一种结构和制造工艺十分精细的控制电机,其精度很高。

旋转变压器主要有正余弦旋转变压器和线性旋转变压器2种。

正余弦旋转变压器主要用于要求坐标变换、三角运算的场合,线性旋转变压器主要用于要求将转角转换成电信号的场合。

2.5　信号预处理电路连接
信号预处理部分对旋转变压器的输出信号进行处理,因为旋转变压器的功率比较大,其输出的电压和电流也比较大,所以在把其信号送入A/D转换器进行采样之前,需用运算放大电路进行缩小,以不至于超出A/D采样的电压和电流范围而致使其不能有效工作,或烧坏A/D转换器件。

旋转变压器Z1、Z2的输出信号(该信号比较大)通过运算放大电路进行缩小,由运算放大器的基本原理可知,其衰减因子为K=R
3
/R1;而电路中同相输入
端通过R4接地,R
4
为补偿电阻,以保证运算放大器输
入级差分放大电路的对称性,其值为R
4∥R
2
=R1∥
R3。

接着把缩减后的信号与一个直流电压进行求和,从而AD0口的信号变为U
1
=KU R2(R11/R9)+5(R11 +R10),其目的是把信号限制为ADC0804内的电压采样范围(0～5V),而R12的作用与R4完全一样,R12
的阻值为R
9∥R
11
=R10∥R12;Z3、Z4的输出信号与
Z1、Z2的信号处理完全一样,不再叙述。

2.6　A/D转换器
由信号预处理部分送出的模拟信号,必须经过A/D转换后才能送到单片机,被单片机识别并进行处理。

目前市场上的A/D转换芯片有单路串行以及多路并行2种,在此,因为由信号预处理电路送出的信号只有2个。

所以选择2个单路串行的A/D转换芯片ADC0804。

ADC0804该芯片具有如下特点:
a)C MOS的逐次逼近式A/D转换器;
b)具有8位解析能力,转换时间为100μs,最大误差为一个LS B值(最小电压刻度);
c)采用差动式模拟电压输入,三态式数字输出。

ADC0804的正常操作过程如下:
当WR的输入为由高到低的脉冲时,内部晶闸管复位,移位寄存器也被复位。

I N T R端的输出被置为高电平。

只要CS端的输入和WR端的输入仍然保持在低电平,芯片将一直保持在复位状态。

当CS和WR 中至少有一端有由低到高的脉冲输入时,在经过1～8个时钟周期的延时后,A/D转换操作就将开始。

再经过适当的时钟周期转换之后,I N T R端将会产生由高到低的跳变,表示数据已经转换完成。

它可以用来中断CP U,通知CP U数据转换已经完成;或者作为可以进行新一轮A/D转换的开始信号。

此时若CS处于低电平,RD的操作将会重新把I N T R拉成高电平。

当把CS接高电平,并且把I N T R和WR连接在一起时,芯片将进入自由转换模式。

但是,为了保证在任何情况都能开始进行转换,当进入第1个上电循环时, WR需要一个额外的脉冲信号,以便发出的另一个开始信号能够中断正在进行的A/D转换操作。

2.6.1　A/D转换时钟频率的产生
ADC0804的时钟脉冲可来自于CP U等外部振荡源、外部振荡电路,也可通过在外部接RC振荡网络来自己产生时钟脉冲,其中引脚4内部为一个Sch m itt触发器。

其产生的脉冲频率为f≈1(1.1R C),其中: R≈10kΩ。

在此,选择500kHz作为ADC0804的内部时钟频率,因此,C=180μF。

2.6.2　辅助参考电压的产生
在信号预处理阶段已经把信号幅度限制在0～5V之间,所以可以把2.5V作为ADC0804和L298/ L297的参考电压VREF=VCC/2。

可以设计一个电路,其参考电压由一个单独的外部电路来提供,对于一个简单的直流信号电压源,可以采用对+5V标准电压利用电阻分压得到,电路中的电容有稳压以及滤除交流干扰的作用。

单片机与ADC0804的连接不采用交互模式,而是把ADC0804连接成自由转换模式,单片机则可以随时进行数据的读取。

完整的A/D转换硬件电路图如图5所示。

图5　A/D转换部分硬件电路
第35卷第12期杨辉媛,等:基于单片机控制的CCD随动系统设计・研究与设计・
3　结束语
本文介绍了一种基于单片机控制的CCD随动系统。

该系统接收到驾驶员手中的方向盘旋转角度信号后,经ADC(Anal og2t o2D igital Converter,模数转换器)转换成数字信号后送入单片机,由单片机处理接收到的旋转变压器的信号,发出步进脉冲及方向电平,送入步进电机驱动器,再由步进电机驱动器驱动步进电机旋转,从而使安装在旋转台上的CCD的方位角随方向盘的旋转而变化。

为了获得较好的随动性,控制系统采用AD(Anal og2t o2D igital,模拟到数字)转换技术,利用单片机对信号处理速度快的特点,使系统拥有更好的实时性能。

参　考　文　献
[1]张志红,曹海源.基于I S A总线的轴角数字转换卡设计
[J].微计算机信息,2005(2):1272128.
[2]高文政.一种轴角到数字转换器的设计[J].情报指挥控
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[3]杨建华.光纤绕线机控制系统的研制[D].杭州:浙江大
学,2003.
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[5]吴海涛,郭猛.步进电机及其单片机控制[J].福建电脑,
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[6]张玘,朱肇轩,吴石林.基于单片机控制的CC D随动系统
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杨辉媛(19752),女,讲师,主要从事电子学的教学工作。

A CCD Servo Syste m Desi gn Based on SC M Control
YANG Hu i yuan1,DA IW enwu2,ZHANG Bangy i n g1
(1.College of Physics Science and I nf or mati on Engineering,J ishou University,J ishou416000,China;
2.Cili No.2M iddle School,Cili427200,China)
Abstract:A CCD servo syste m based on SC M contr ol is intr oduced.The syste m adop ts AT89C51chi p as its contr ol core,and ADC0804and AT89C51both adop t host pattern,the transf or med result is fetched fr o m ADC0804.The p r ocessed digital signal sent t o steped electric mot or drive,t o drive steped electric mot or,s o that it f oll ows the azi m uth.Actual app licati on indicates high reliability and stability,the syste m has good per2
f or mance/cost.
Keywords:servo syste m;step2by2step electric mot or;revoluti on transfor mer;CCD
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