摄像镜头电力驱动系统设计研究

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摘要：摘要：基于摄像机远程操作技术，利用单片机控制步进电机，建立摄像镜头的电力驱动系统。此系统节约了经济成本，通过人机交互闭环系统、模块化等方法，进一步提高了系统的通用性，使其可以应用于工程。 关键词：步进电机;单片机;驱动;电路设计 引言 导弹武器和航天飞行

　　摘要：基于摄像机远程操作技术，利用单片机控制步进电机，建立摄像镜头的电力驱动系统。此系统节约了经济成本，通过人机交互闭环系统、模块化等方法，进一步提高了系统的通用性，使其可以应用于工程。

　　关键词：步进电机;单片机;驱动;电路设计

　　引言

　　导弹武器和航天飞行器在试验阶段要模拟各种机械冲击，而发射点火、飞行过程中预定功能部件的分离和分系统试验往往必须在几秒钟内完成，因此需要高速摄像系统进行记录和分析。高速摄像机采用的是美国Phantom公司的V12型号，每秒钟拍摄速度可达6 000帧。目前工作中使用的高速摄像系统采用的摄影镜头卡口为Nikon F卡口，这是一种20世纪八九十年代应用的机械摄影镜头，镜头的变焦和调焦都是手动调节，通过观察取景器进行构图和对焦。但是，在某些特定环境，例如真空环境或者恶劣环境下应用高速摄像机时，需要对摄像系统进行密封防护，这就造成接触镜头困难。自动镜头价格昂贵，为了降低成本，解决手动镜头操作不便这一具体问题，设计出了可以对老式手动机械镜头进行电力驱动的系统，使之可以适应新的特定工作环境。

　　由单片机来控制步进电机的应用非常广泛，目前在现代军事、精密机械加工、航天航空等领域此类应用已经越来越深入。用80C51单片机来控制步进电机的转动，进而驱动镜头调焦环的扭转，可以实现自动/半自动调焦的功能。

　　1 系统硬件设计

　　1.1 基于单片机的控制系统设计

　　单片机是整个电路设计中的核心装置，其主要功能为产生脉冲，从而控制步进电机工作。设计可以用软、硬件结合的方式，传统的环形分配器由软件部分替代，可以提高效率，使单片机实现最优控制。基于单片机的强大功能，可以设计出外围电路，由外围电路产生脉冲，控制步进电机，并处理电机驱动电流检测模块检测到的电流值[1]，再將检测内容通过数码管显示出来。

　　系统的核心采用51系列单片机，完成测距数据判读、步进电机控制、反馈信号比较等工作。外围电路包括AD/DA转换、数据指示、手动输入接口、电机驱动等。利用专业的电机驱动模块L298构成整个系统的驱动单元。控制步进电机转动的脉冲信号电流是通过单片机的软件部分进行编程输出的，步进电机的旋转角度与脉冲的个数成正比[2]。步进电机可以进行正向、反向转动调节，其转动方向与励磁脉冲产生顺序有关。

　　单片机同时负责处理安全模块中驱动电流检测模块反馈的电流值[3]，并利用数码管将电机转速、转动方向显示出来。本系统采用了较为常见的五线四相步进电机，以实现对镜头调焦环的驱动。根据选定的步进电机相数，确定80C51单片机所需的相位信息。一般的步进电机需要12 V左右的电压，对额定电压的要求不高，但需要8 A左右的电流，因此要在单片机和步进电机之间增加隔离电路和放大电路，以实现系统预期功能。

　　单片机的控制系统框图如图1所示。

　　1.2 系统整体设计模型

　　系统组成还包括测距器、编码盘、反馈电路、手动调节接口和相关支撑结构等。其中测距器与镜头同轴安装，采用超声波或激光测距模块，为镜头驱动系统提供数据支持，步进电机经过齿轮减速和扭矩放大后，通过橡胶齿轮驱动镜头的变焦环和聚焦环，在步进电机的输出轮上加装编码盘，输出轮的编码盘与镜头机械调焦环上的距离标尺应存在对应关系，安装前通过确定场景对距离和视角进行标校，找出每种镜头存在的不同的对应关系，通过分支程序进行选择，以适应不同的镜头工作。测量出旋转的角度，经过A/D转换后作为反馈输入至单片机，以形成闭环控制系统。系统整体设计框图如图2所示。

　　1.2.1 系统输入/输出单元

　　系统输入的功能是便于设置调节步进电机的系统参数，使系统操作更为灵活方便，输入设备可以使用键盘。显示设备选用数码管，用于显示当前的控制状态和电机运行状态。

　　1.2.2 通信电路

　　通信电路是控制单片机与计算机通信、用来编程的电路部分，通常包括USB接口转串行通信电路、标准串行通信电路、看门狗模块等，本设计中采用成熟的电路模块。

　　1.2.3 测距单元

　　在实际应用中，需要测量得到试验件到摄像机靶面的距离。

　　本文选择HC-SR04超声波测距模块进行测量输入，超声波测距的优势在于其指向性好[4]，可以传输较远距离，不容易受周围环境影响，传播时间易于计算。同时，超声波传感器模块还具有结构简单、性能可靠、成本低、易于集成的特点[5]，因而在工程中应用广泛。

　　如图3所示，超声波测距模块包括超声波发射单元及超声波接收单元等。作为核心的控制系统，单片机在测量过程中输出一个约40 kHz的脉冲信号，驱动超声波发射器发出超声波脉冲[6]，同时通过单片机计时器进行计时。超声波遇到目标后反向回传，超声波接收器接收到空气中回传的超声波，计时器停止计时。此时可知超声波从发射到接收的时间参数t，进一步可计算出传播距离，即镜头靶面到目标的距离。HC-SR04超声波测距模块如图4所示。

　　超声波测距模块的工作原理：通过设定好的单片机I/O口给HC-SR04超声波测距模块的触发口发送一个不小于10 μs的高电平信号，超声波测距模块收到触发信号后会通过发射端口发送8个40 kHz的方波信号，同时检测是否有信号返回，当有信号返回时，通过超声波测距模块的ECHO端口输出一个高电平信号，从ECHO端口检测到的高电平信号的持续时间即超声波信号从发射端到被测量物体由发射到返回的时间，由此可利用以下公式计算从超声波模块到被测量物体的距离：

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