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监控系统中电动云台的设计及其方案简绍

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,目前已很少采用这种电路。在控制器大都采用单片机的情况下,要用锁存的TTL 电平去控制云台和镜头。

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

M

M 电动云台公共端M 光圈M 聚焦M 变倍变焦镜头光圈大

光圈小

聚焦远

聚焦近

变倍进变倍出

地U +U -上下左

右U ~控制器

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M

公共端

电动云台上下左

M 右J 3J 2J 1J 0D 3U +U ~

D 2D 1D 0MC1413

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 2A

1G 3CT A 1A 2G BTA06600 C 220 V ~R L R 136064MOC302112TT L 电平MC1413+5 V R 300

表10―

1 MOC3000

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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

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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

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压为

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:

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,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2422V

1

124223421

R Ω=≈6412360

641236064

1236064

12360MC1413D 3D 0300+5 V M M 电动云台

220 V ~MOC3021上下左右

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,最多可以有 光圈变焦镜头

变倍M 聚焦

M M U -V 4U +V 3+-N 2D 3D 2U -V 2U +V 1+-N 1D 5D 4U -V 6U +V 5+-N 3D 1D 0

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

VD50261234567891817161514131211104TH/A0A1A2A3A4A5A6A7U SS D0D1D2D3OSC1U DD DA TA O UT OSC2TE VD50271234567891817161514131211104TH/A0A1A2A3A4A5A6A7U SS D0D1D2D3

OSC1U DD OSC2U T

DA TA IN 89C51P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0P1.1 VD5026A1A2A3A4A5D0D1D2D3TE

DATA OUT OSC1VD5027数据输出本机地址设定+5 V P1.2P1.3P1.4A0A6A7OSC2 VD5027A1A2A3

A4A5

D0D1D2D3DATA IN OSC1A0A6A7OSC2U T VD5027

10 k ×8

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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。

图10―31 硬件解码器的实用电路

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去电动云台驱动电路

去刮雨器驱动

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

控制器(发送)

解码器(接收)解码器(接收)

第1号第n号

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。