监控系统中电动云台的设计与方案简绍

第10章电动云台和变焦镜头控制
0.1 基本驱动电路
10.2 串行传送控制信号
10.3 单片机解码器
10.4 硬件解码器
10.5 控制器和解码器的连接
10.1 基本驱动电路
在控制室，除了要对视频信号进行切换，在视频信号上叠加地点、日期、时间等附加信息外，还要对摄像机的电动云台和变焦镜头进行控制。

电动云台通常有水平旋转和俯仰旋转两个电机可以进行正、反向旋转，四个动作分别称为上、下、左、右。

电动云台的电机大部分是交流电机，这种电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，当一个绕组接交流电压时，
另一绕组经移相电容接入交流电压，当交流电压分别从两个绕组接入时，可使电机作正向或反向旋转。

两个电机的公共端接在一起，一共有五根控制线。

变焦镜头通常连接有光圈、聚焦和变倍三个控制电机，可以正、反向旋转。

六个动作分别称为光圈大、光圈小、聚焦远、聚焦近、变倍进、变倍出。

变焦镜头的电机大部分是直流电机，直流电机加正向电压后正转，加反向电压后就会倒转。

三个电机共用一个接地端，共有四根控制线。

在摄像机离控制室比较近的情况下，可用多芯电缆将10个动作的控制电压从控制室传到摄像机处。

图10―1是用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头控制电压的电路图。

在控制室利用琴键开关将交直流电压加到电机的控制线上。

电动云台虚线框内的线路中4个常闭触点是4个限位开关，当云台旋转到压住限位开关后，常闭触点断开，云台不再往该方向旋转。

这种电路使用很多机械开关，因电机启动时的大电流和电机断开时的高反压，
开关容易损坏，
要用锁存的
TTL
图10―1 用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头控制电压电路图
10.1.1 电动云台的驱动
单片机用锁存器输出的TTL 电平来控制电动云台。

通常有继电器驱动和双向可控硅驱动两种方法。

1.继电器驱动
用继电器驱动云台的电路如图10―2所示。

当输入控制信号D3～D0的电平是0001B 时，继电器J0吸合，云台向右旋转；当D3～D0的电平是0010B 时，继电器J1吸合，云台向左旋转；当D3～D0的电平是0100B 时，继电器J2吸合，云台向下旋转；当D3～D0的电平是1000B 时，继电器J3吸合，云台向上旋转。

图10―2 继电器电动云台驱动电路
常用来驱动云台的继电器有JZC―22FA 型。

其体积为22.5mm×16.5mm×16.5mm,触点负荷为220V(AC)、3A 或28V(DC)、10A,JZC―22FA 有005、006、009、012、024等五种规格,其额定电压分别是5V 、6V 、9V 、12V 、24V(DC)；线圈电阻分别是70Ω、100Ω、220Ω、400Ω、1600Ω；吸合电压分别为4V 、4.8V 、7.2V 、9.6V 、19.2V ；释放电压分别为0.5V 、0.6V 、0.9V 、1.2V 、2.4V 。

2.双向可控硅驱动
与继电器相比，可控硅驱动有体积小、重量轻、寿命长、价格低廉等优点。

所以，目前较多的产品是用双向可控硅来控制电动云台的。

图10―3是双向可控硅和电路符号。

面对双向可控硅正面，左边的引脚是主电极MT1或称A1，中间的引脚是主电极MT2或称A2，右边的引脚是控制极G 或称门极。

触发信号加在MT2和G 两极之间。

图10―3(a)是双向可控硅的常用引脚排列。

比如，BTA06C 就是这种排列，也可能会有与此图不同的排列。

初次使用时最好用多用表判别，方法如下：先找MT2极，多用表置于R×100挡，将黑表笔接任意一个电极，用红表笔碰另外两个电极，如果表针都不动，说明黑表笔接的是MT2极。

剩下两电极间有2～10Ω的正反向电阻差，可用多用表R×10挡或R×1挡来量，电阻小时，接黑表笔的是MT1极，红表笔接的是G 极。

因为电阻差很小，要仔细观察才能判别出来。

图10―4是触发电路。

其中，光电耦合器MOC3021是一种双向可控硅输出结构的光电
U ＋
耦合器，用来触发双向可控硅时电路最简单，而且能将单片机系统与可控硅、电机、市电隔离开来，以免电机启动时的感应电动势和火花影响单片机工作。

表10―1是MOTOROLA 公司MOC3000系列光电耦合器的主要参数。

图 10―3 双向可控硅和电路符号(a)引脚排列；(b)电路符号
图10―4 双向可控硅触发电路
A 1
A 1A 2G
～TT ＋5 V
表10―1 MOC3000系列光电耦合器主要参数
对MOC3021，有下列典型值：
·输入端电流II=10～15mA 。

·发光管上的电压降U12=1.2～1.5V 。

·最大输出电流Ip=1A 。

·MOC3021的输入端限流电阻R
当MC1413输出V2为低电平0.4V 时，要求
MOC3021导通，这时
·限流电阻R1用来限制MOC3021的输出电流Ip 不要超
过极限值1A 。

1225I V U U R I --=5 1.50.430010V V V R mV Ω--==1p p U R I =
. .
式中,Up 为交流电压峰值，交流电压为220V ，波动10%，最高电压有效值为242V ，峰值电压为 。

因而有
可取R1=360Ω。

·最小触发电压UT ：由于串入电阻R1，使触发电路有一个最小触发电压，低于这个电压时，双向可控硅不导通。

UT 按下式计算：
UT=R1×IGT+UGT+UTM
式中:IGT 为双向可控硅最小触发电流；UGT 为双向可控硅最小触发电压；UTM 为MOC3021输出端压降,典型值1.8V ，最大值3V 。

图10―6是双向可控硅云台控制电路。

图10―6 双向可控硅云台控制电路
在选取双向可控硅的电流、电压极限值时，应留有较大的余量。

云台的电压是220V ～，电流不超过200mA 。

一般取双向可控硅的电流为3～6A ，耐压为600～800V 。

运算放大器与晶体管驱动与继电器驱动相比，有寿命长，可靠性高和价格便宜等优点。

10.1.2 变焦镜头的驱动
图10―8是用运算放大器与晶体管驱动变焦镜头的实用电路。

图中当输入控制信号D 5～D 0的电平是100000B 时，运算放大器N1输出正电压，晶体管V1导通，电压U +加到光圈电机正端，电机正转，光圈变大；当D 5～D 0的电平是010000B 时，运算放大器N1输出负电压，
晶体管V2导通，电压U -加到光圈电机正端，电机反转，光圈变小；当D 5～D 0的电平是001000B 时，运算放大器N2输出正电压，晶体管V3导通，电压U +加到聚焦电机正端，2V 1
123421R Ω=≈6412360
64123606412360
6412360MC1413D D 300＋5 V M M 电动云台
220 V ～MOC3021上下左右
电机正转，聚焦变远；当D 5～D 0的电平是000100B 时，运算放大器N2输出负电压，晶体管V4导通，电压U -加到聚焦电机正端，电机反转，聚焦变近；
当D 5～D 0的电平是000010B 时，运算放大器N3输出正电压，晶体管V5导通，电压U +加到变倍电机正端，电机正转，变倍变进；当D 5～D 0的电平是000001B 时，运算放大器N3输出负电压，晶体管V6导通，电压U -加到变倍电机正端，电机反转，变倍变出。

当电机旋转太快，不易对镜头进行精细调节时，可以降低U +、U -的幅度，或在输出电压与电机之间串接电阻来使电机转速降低。

图10―8 用运算放大器的变焦镜头驱动电路
10.2 串行传送控制信号
前面介绍的驱动电路中，变焦镜头的驱动电压有4根控制线，电动云台的驱动电压有5根控制线，再加上摄像机电源控制，雨刷控制等，控制线较多。

当控制器与摄像机距离较远时，浪费大量线材，很多能量也消耗在传输线上，所以常常采用发串行控制信号的办法来节省线材和能量损失。

具体做法是在控制器部分由单片机发出串行的控制信号，
在摄像机附近配置一个接收解码器，对接收到的串行命令进行解码，形成云台和变焦镜头的驱动电压。

这样控制线改为二芯,可以节约线材，电机的驱动电压就地供给，避免了驱动电压长距离传送时的能量损失。

下面介绍串行通讯中的一些基本概念和标准通讯接口。

10.4 硬件解码器
在电视系统中，解码器是用得较多的设备，当然是越简单越好。

V D 5026、V D 5027编解码电路
V D 5026、V D 5027是一对编码解码芯片，它们的工作电压是2～6V ，静态工作电流只有1μA ，使用的外接元件少，编码、解码芯片各接一个相同的电阻。

V D 5026、V D 5027是18脚双列直插电路，图10―27是它们的引脚图。

其中，地址A0～A7可以是高电平(1)、低电平(0)、开路(高阻)和第4种状态。

第4种状态时，A0不使用，A1～A7若与A0短路即为第4种状态。

当利用这4种状态来决定地址时，最
D 3D 2D 5D 4D 1D 0
多可以有
47=214=16K =16×1024种地址。

VD5026、VD5027的OSC1、OSC2接电阻R 后，芯片的振荡器频率f=1600／R(kHz)(R 为k Ω)。

典型值R=80k Ω，f=200kHz 。

每个数据位是128个时钟周期，每个字是13位数据，包括8位地址、4位数据、1位校验，一个字的时间是13×128×5μs=8.32ms ，每个字发出之前有一组同步信号的时间相当于3个数据位，是3×128×5μs=1.92ms 。

每一次发送将包括同步信号的字连续发4次，所以总的一次发送的时间是4×(8.32+1.92)=40.96ms 。

图10―27 V D 5026和V D 5027引脚图
图10―28是VD5026与多个VD5027通讯的示意图。

这里89C51的P0口和P1口完全作锁存器用，右下部两个VD5027的线路与上面的一个VD5027的线路完全一样，只是本机地址设置得不一样。

图10―28 VD5026与多个VD5027通讯的示意图
A1A2A3A4A5A6A7U SS UT
A1A2A3A4A5A6A7U OSC1
DD OSC2T TA IN
10.4.2 硬件解码器的实用电路
图10―31是一个硬件解码器的实用电路。

这里用2块VD5027，它们的A1～A7由拨动开关来决定本机地址，最多可以有27个地址，有128台解码器。

一块VD5027的A0接高电平，另一块VD5027的A0接低电平，所以地址的最低位决定数据送两块芯片中的哪一块。

第一块VD5027的4位数据供变焦镜头与云台控制用，因为经常规定云台和变焦镜头的10个动作不在同一时刻执行，每次只能一个动作有效，
所以在发送端将10个动作编码为4位数据，在接收端又把4位数据由4-16译码器CD4514译码后去控制变焦镜头和电动云台。

另一块VD5027的4位数据去控制摄像机电源、雨刷等能同时进行的动作，这里用ULN2803去驱动光耦双向可控硅电路，ULN2803是与MC1413(ULN2003)类似的驱动电路。

输入部分采用R S ―485接口芯片75176，所以在控制器发信号的部分，单片机经锁存器给V D 5026送地址、数据，V D 5026的输出信号通过R S ―485接口芯片75172或75174输出。

硬件解码器线路简单，抗干扰性能好，实际的使用效果也证明了这一点。

在解码器没有其他诸如数据采集、计算等附加功能时，用硬件解码器比单片机解码器效果好。

A1A2A3A4A5A6A7DA TA IN A0OSC2D0D1D2D3OSC1A1A2A3A4A5A6A7DA TA IN A0OSC2
D0D1D2D3OSC1＋5 V
VD5027×2 10 k×7
＋5 V 本机地址设定A B C D Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10去变焦镜头驱动电路A1A2A3A4A5A6A7A8Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8ULN 2803CD4514电动云台驱动电路
刮雨器驱动
电路去摄像机电 源75176A B R RE
10.5 控制器和解码器的连接
10.5.1 两种连接方式
控制器与解码器的连接方式通常有星型和总线型两种方式。

本文采用总线型连接
图10―33 控制器和解码器的总线型连接
总线型连接是一个控制信号发送端连接到多个解码器，如图10―33所示。

这时，最好选用较低的串行信号波特率。

最远的一个解码器输入阻抗与线路特性阻抗匹配，其余的各个解码器输入设为高阻。

收)
第1号第n 号。