毕业设计云台控制器的软件设计.docx
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毕业设计云台控制器的软件设计
摘要
近年来，视频监控得到了迅速发展，其应用范围越来越广。
为扩大监控范围，改善监控视野，可以借助于云台，即把摄像机装在云台上，通过云台转动带动摄像机旋转，同时可以控制摄像机镜头的参数。
云台在监控系统中起着关键的作用，它直接反映监控系统的监控指标。
本文设计了一种基于AT89C52单片机的电动云台控制器。
该控制器能够接收控制台的控制命令，控制云台的垂直运动和水平运动，以及摄像机的聚焦/散焦，变倍近远、光圈变力小，以调整摄像机的视野.
本文在介绍课题的应用背景的基础上，重点分析了云台所具备的功能，并针对这些功能提出了本设计的实现方案。
在软件程序设计中，简要介绍了串行通讯的基本知识和详细说明了应用于云台中的通讯协议PELCO-D和PELCO-P等协议，并在此基础上设计了各部分的软件流程图。
最后阐述了本设计所采用的有关软件可靠性方面的措施。
通过调试、系统的实际运行，验证了本设计运行稳定，实现了云台的上下左右旋转，实现了对镜头聚焦、变倍、光圈的控制。
达到了预期的应用目标。
关键词：
云台，协议,监控系统，解码器
ABSTRASCT
Inrecentyears,thedevelopmentofvideosurveillanceisrapid,therangeofapplicationsbecomewide.Inordertoexpandthescopeofmonitoringandimprovethemonitoringofvision,Thepan/tilt/zoom（PTZ）canbeused,whichmeanstoputacameraonaPTZandtocontrolthePTZcamerarotating.Atthesametime,theparametersofthecameralenscanbecontrolled.ThePTZplayakeyroleinthemonitoringsystem,itreflectstheperformanceofmonitoringsystem.
Inthispaper,acontrollerforelectricPTZ,whichisbasedonmicrocomputerAT89C52andappliedinexplosion-proofPTZsystem,hasbeendesigned.Itcanreceivecommandsfromthecontroller,whichcontrolthePTZmotion,thecamera,NEAR/FAR,TELE/WIDE,Close/Open.Theparametersofthecameracanbesavedinmemory.
Firstofall,thebackgroundofthesubject,theclassificationofPTZandthedevelopmentofPTZControllerareintroduced.ThefunctionsofPTZareanalyzed.Aprogramforthesefunctionsisproposed.Secondly,theentireprocessindetailaboutsoftwareisdescribed.Intheprocessofsoftwaredesign,thebasicconceptsofserialcommunicationandboththePELCO-DandPELCO-Pprotocolareintroduced.Themainsoftwareprogramsandsubroutinearefinished.Finally,thereliabilitydesignaboutsoftwareisdescribed.
Throughtheactualrunningofthesystem,itisproofedthatthesystemrunsstable.ThePTZrotatingandtheparametersofthecameralensandPresetfunctioncanbecontrolled.Thegoaloftheexpectedisachieved.
KEYWORDS:
pan/tilt/zoom,protocol,monitoringsystem,decoder
前言
云台控制器是视频监控系统中重要的前端控制设备，它接收中心控制设备发送的串行编码信号，通过软件解码后驱动不同的硬件电路，以控制云台、镜头、辅助照明灯光、雨刷等操作，能方便地跟踪被监控目标。
中心控制设备可以是视频矩阵切换器、控制键盘、多媒体计算机、数字视频录像机（DVR）等，中心控制设备和云台控制器之间一般通过串行RS-485接口进行通信。
随着单片机和大规模集成电路技术的发展，解码器也逐渐由独立设备向模块化发展，尤其是在智能球形摄像机中应用得更普遍。
目前视频监控行业还没有建立统一的中心控制设备与前端控制设备之间的通信控制协议标准，各个厂商都使用各自的通信控制协议，这些协议互不兼容，常用的通信控制协议有PELCO-D,PELCO-PPANASONIC,PHILIPS,SAMSUNG,RM110,CCR-20G,AB,AD,DALLES,KALATEL,KRE-301,VICON,ORX-10,YAAN,HY,ALEC，KONY等。
目前市场上的云台控制器大部分采用拨码开关的方式，由人工选择要选用的通信协议，本设计就是采用拨码开关选择多种协议像PELCO-P、PECLO-D、YAAN、明景等云台协议，而单片机内部根据所选协议而执行相应控制协议方案。
本设计通过上位机控制云台控制器执行相应云台上、下、左、右。
镜头的变焦、变倍、光圈动作等。
通过测试验证了本设计的可行性。
1绪论
1.1课题的应用背景
随着集计算机、自动控制、通信等技术于一体的数字视频监控系统的发展，原先固定不动的摄像机由于只能监视固定方向的图像，而那些工作环境恶劣，监控复杂的场合要求摄像机能够随时根据现场情况改变监控方向，实现三维立体空间监视，因此电动云台发展起来。
云台是一种能够承载摄像机进行水平和垂直两个方向旋转，并能够控制摄像机的焦距，变倍，光圈等参数的一种装置。
云台里面除机械传动结构外，还有电动机、继电器以及相应的控制电路，这个控制电路通常被称为云台控制器。
在监控系统中云台的旋转不能在现场手动调整，可以通过控制室内的操作台远程通讯控制其转动，从而满足全方位的监视要求，通过云台控制摄像机的焦距，变倍，光圈等参数，以使得监控视野更清晰。
目前,图像监控系统中的云台和控制器通常都采用分开设计,这是因为部分云台安装在外,工作环境恶劣,采用分开设计能够使整个系统的维护成本得到降低。
本文采用单片机AT89C52设计一种通用云台控制器,实现对云台、摄像机以及图像监控系统中的部分辅助设备进行控制。
实现危险场合的监控范围清晰，监控灵活，高安全性，高可靠性等指标。
1.2云台简介
1.2.1云台的基本知识
1、解码器
解码器，国外称其为接收器/驱动器（Receiver/Driver）或遥控设备（Telemetry），是为带有云台、变焦镜头等可控设备提供驱动电源并与控制设备如矩阵进行通讯的前端设备。
通常，解码器可以控制云台的上、下、左、右旋转，变焦镜头的变焦、聚焦、光圈以及对防护罩雨刷器、摄像机电源、灯光等设备的控制，还可以提供若干个辅助功能开关，以满足不同能够用户的实际需要。
高档次的解码器还带有预置位和巡游功能。
解码器按照云台供电电压分为交流解码器和直流解码器。
交流解码器为交流云台提供交流230V或24V电压驱动云台转动；直流解码器为直流云台提供直流12V或24V电源，如果云台是变速控制的还要要求直流解码器为云台提供0-33或36V直流电压信号，来控制直流云台的变速转动。
按照通讯方式分为单向通讯解码器和双向通讯解码器。
单向通讯解码器只接收来自控制器的通讯信号并将其翻译为对应动作的电压/电流信号驱动前端设备；双向通讯的解码器除了具有单向通讯解码器的性能外还向控制器发送通讯信号，因此可以实时将解码器的工作状态传送给控制器进行分析，另外可以将报警探测器等前端设备信号直接输入到解码器中由双向通讯来传诵现场的报警探测信号，减少线缆的使用。
按照通讯信号的传输方式可分为同轴传输和双绞线传输。
一般的解码器都支持双绞线传输的通讯信号，而有些解码器还支持或者同时支持同轴电缆传输方式，也就是将通讯信号经过调制与视频信号以不同的频率共同传输在同一条视频电缆上。
解码器的电路是以单片机为核心，由电源电路、通讯接口电路、自检及地址输入电路、输出驱动电路、报警输入接口等电路组成。
解码器一般不能单独使用，需要与系统主机配合使用。
2.云台
云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作台，用于摄像机与支撑物的联结，云台具有水平和垂直运动的功能。
2.1云台的分类
云台按照可以运动功能分为水平云台和全方位（全向）云台。
按照工作电压分为交流定速云台和直流高变速云台。
按照承载重量分为轻载云台、中载云台和重载云台。
按照负载安装方式分为顶装云台和侧装云台。
根据使用环境分为通用型和特殊型。
通用型是指使用在无可燃、无腐蚀性气体或粉尘的大气环境中，又可分为使用型和室外型。
最典型的特殊型应用是防爆云台。
2.2、云台的内部结构
全方位云台内部有两个电机，分别负责云台的上下和左右各方向的转动。
其工作电压的不同也决定了该云台的整体工作电压，一般有交流24V、交流220V及直流12V。
当接到上、下动作电压时，垂直电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动；当接到左、右动作电压时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动。
需要说明的是云台都有水平、垂直的限位栓，云台分别由两个微动开关实现限位功能。
当转动角度达到预先设定的限位栓时，微动开关动作切断电源，云台停止转动。
限位装置可以位于云台外部，调整过程简单，也可以位于云台内部，通过外设的调整机构进行调整，调整过程相对复杂。
但外置限位装置的云台密封性不如内置限位装置的云台。
室外云台与室内云台大体一致，只是由于室外防护罩重量较大，使云台的载重能力必须加大。
同时，室外环境的冷热变化大，易遭到雨水或潮湿的侵蚀。
因此室外云台一般都设计成密封防雨型。
另外室外云台还具有高转矩和扼流保护电路以防止云台冻结时强行起动而烧毁电机。
在低温的恶劣条件下还可以在云台内部加装温控型加热器。
3、通用型云台的性能指标
㈠云台的转动速度
云台的转动速度衡量云台档次高低的重要指标。
云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。
由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。
交流云台使用的是交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4°/秒～6°/秒，垂直转动速度为3°/秒～6°/秒。
有的厂家也生产交流型高速云台，可以达到水平15°/秒，垂直9°/秒，但同一系列云台的高速型载重量会相应降低。
直流型云台大都采用的是直流电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。
其水平最高转速可达40～50°/秒，垂直可达10～24°/秒。
另外直流型云台大都具有变速功能。
变速的效果由控制系统和解码器的性能决定，以使云台电机根据输入的电压大小做相应速度的转动。
常见的变速控制方式有两种，一种是全变速控制，就是通过检测操作员对键盘操纵杆控制的位移量决定对云台的输入电压，全变速控制是在云台变速范围内实现平缓的变速过渡。
另外一种是分档递进式控制，就是在云台变速范围内设置若干挡，各档对应不同的电压（转动速度），操作前必须先选择所需转动的速度档，在对云台进行各方向的转动操作。
㈡云台的转动角度
云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（防护罩/摄像机/镜头总成）安装方式有很大关系。
云台的水平转动角度一般都能达到355°，因为限位栓会占用一定的角度，但会出现少许的监控死角。
有些云台改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°（有5°的覆盖角度），以消除监控死角；有些球型云台增加电动滑环装置，可使球型云台360连续旋转，而线缆不会绞缠在一起。
用户使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。
例如安装在墙壁上的壁装式，即使云台具有360°的转动角度，实际上只需要监视云台正面的180°角度，即使转动到后面方向的180°也只能看到安装面（墙壁），没有实际监控意义。
因此壁装式只需要监视水平180°的范围，角装式只需监视270°的范围。
这样避免云台过多地转动到无需监控的位置，也提供了云台的使用效率。
顶装式云台的垂直转动角度一般为+30°至-90°，侧装的垂直转动角度可以达到±180°，不过正常使用时垂直转动角度在+20°至-90°即可。
㈢云台的载重量
云台的最大负载是指垂直方向承受的最大负载能力。
摄像机的重心（包括防护罩）到云台工作面距离为50mm，该重心必须通过云台回转中心，并且与云台工作面垂直，这个中心即为云台的最大负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。
如果负载位置安装不当，重心偏离回转中心，增大了负载力矩，实际的载重量将小于最大负载量的设计值。
因此云台垂直转动角度越大，重心偏离也越大，相应的承载重量就越小。
云台的载重量是选用云台的关键，如果云台载重量小于实际负载的重量不仅会使操作功能下降，而且云台的电机、齿轮也会因长时间超负荷损坏。
云台的实际载重量可从3kg到50kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶装，高速型的承载能力要小于普通型。
㈣使用环境指标
室内使用的云台的要求不高，云台的使用环境的各项指标主要针对室外使用的云台。
其中包括使用环境温度限制、湿度限制、防尘防水的IP防护等级。
一般室外环境使用的云台温度范围为-20℃至+60℃，如果使用在更低温度的环境下，可以在云台内部加装温控型加热器使温度下限达-40℃或更低。
湿度指标一般为95%不凝结。
防尘防水的IP等级应达到IP66以上。
IP防护等级的高低反映了设备的密封程度，主要指防尘和液体的侵入，它是一种国际标准，符合1997年的BS5490标准和1976年的IECS529标准。
IP后的第一个数值表示抗固体的密封保护程度，第二位表示抗液体保护程度，第三位表示抗机械冲击碰撞。
实际当中一般只用的前两位，即IPXX.另外在实际使用中应根据环境选择使用相适合的材料和防护层，如铁质外壳不适合使用在潮湿和具有腐蚀性的环境中。
其各位含义如下表1-1:
表1-1IP防护级别各位含义
第一位
第二位
第三位
0
无保护
无保护
无保护
1
固体物质达50mm，如手偶然接触
水的垂直下落，如冷凝
碰撞能量0.225J
2
固体物质答案12mm，如手指
水的直接喷洒，倾斜不超过15°
碰撞能量0.375J
3
固体物质超2.5mm，如工具、电线
水的喷洒，倾斜不超过60°
碰撞能量0.50J
4
固体物质超过1mm，如工具、细电线
水从各个方向喷洒，允许有限侵入
5
防尘——有限侵入（保证对设备无损害）
水从各个方向低压喷射，允许有限侵入
碰撞能量2J
6
安全防尘
水从各个方向高压喷射，如船舱，允许有限侵入
7
浸入水下15cm至1m
碰撞能量6J
8
长时间浸入水下
9
碰撞能量20J
㈤回差
回差也称为齿轮间隙（GearBacklash），是考察云台转动精度的重要指标。
㈥可靠性
云台的可靠性一般以平均故障（间隔）时间MTBF、平均修理时间MTTR、平均无故障时间MTTF及为动开关的极限次数等指标衡量。
4、特殊用途的云台
云台的应用范围很广，各种特殊行业也对云台产品有一定的需求，由于使用环境特殊因此需要云台产品具有满足现场环境特殊防护性能，常见的有水下型、高温型、低温型、防腐型和防爆型。
特殊云台对使用的材料、防护等级、防护方式等都有严格的要求，并必须遵守相应的行业特殊标准。
其中以防爆型云台最为突出。
㈠防爆设备简述
石油、化工、煤炭和国防等许多工业部门，在生产、加工、运输和贮存的各个过程中，经常可能泄露或溢散出各种各样的易燃易爆气体、液体和各种粉尘及纤维。
这类物质与空气混合后，可能成为具有爆炸危险的混合物，当混合物的浓度达到爆炸浓度范围时，一旦出现火源即会引起爆炸和发生火灾等严重事故。
当前已经研制出隔爆型、本质安全型、增安型、正压型、充油型、充砂型、无火花型等多种型式的防爆电气设备。
可燃性气体、蒸汽级别、温度组别举例如下，
凡是用于煤矿井下的防爆设备为I类设备，其它用于工厂的防爆设备为II类设备。
在II类设备中按适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级。
T1值T6为设备允许表面最高温度，T1—450℃、T2—300℃、T3—200℃、T4—135℃、T5—100℃、T6—85℃。
I类设备的表面可能堆积粉尘时，允许最高表面温度为150℃；II类设备的允许最高表面温度为T4—135℃、T5—100℃、T6—85℃。
对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，且能量不超过20微焦或功率不超过25mw的电气设备，在经过防爆检验部门认可后，可直接使用于工厂爆炸性气体环境中和煤矿井下。
（二）防爆原理
防爆设备的应用原理一般有间隙型、防止接触型、采用安全措施型及其它如利用爆炸的滞后特性支撑超前断电等其他防爆原理。
其中适用于电视系统的有间隙防爆原理和采用安全措施防爆原理。
⒈间隙防爆原理
电火花及电弧可以引燃爆炸性混合物。
由德国建立起来的间隙隔爆结构，是防止电弧等引燃周围爆炸性混合物较可靠的方法。
它具有一个足够牢固的外壳，能经受内部爆炸气体混合物产生的最大爆炸压力，确保不变形或损坏，并具有一定结构间隙以使喷射出来的燃烧生成物通过一定的法兰长度冷却到低于外部爆炸性混合物的自燃温度。
结构间隙可以是平面结合面或圆筒结合面组成，还可以是曲路、螺纹或屏障式等结构组成。
除此之外。
如微孔、网罩、叠片、充砂等结构也属于这种原理的防爆形式。
⒉采用安全措施的防爆原理
在设备上采用一系列的安全措施使其在最大限度内不致产生火花、电弧或危险温度，或采用有效的保护元件使其产生的火花、电弧或温度不能引燃爆炸性混合物，以达到防爆目的。
防爆增安型、本质安全型等电气设备都采用这一原理制造的。
㈢防爆设备的标志
隔爆型防爆设备“d”、本质安全型设备有“ia”和“ib”。
设备外壳的明显处应设置清晰永久性凸纹标志“Ex”。
同时设备外壳的明显处还应设置铭牌，并可靠地固定。
上应该有“Ex”标志，防爆型式标志，并顺次标明防爆型式、类别、级别、温度组别等；防爆合格证编号；出产日期、产品编号、产品标准中指出必须注明的内容等。
例如“dIIBT3”表示隔爆型II类B级T3温度组防爆设备。
㈣防爆设备的材料
对于隔爆型防爆设备外壳应能承受1.5倍内部实际最大爆炸压力，但不得小于3.5×105Pa。
用于I类采掘工作面的设备，外壳须采用钢板或铸钢制成；I类非采掘工作面的设备，其外壳可用牌号不低于HT25-47灰铸铁制成；I类携带式设备和II类设备，外壳可用抗拉强度不低于117.6N/mm2（12kg/mm2）、含镁量不大于0.5%（重量比）的轻合金制成。
本质型设备的外壳材质可用含镁量不大于0.5%（重量比）的轻合金或表面电阻不大于1×109Ω的塑料制成。
市场上流行的云台的有很多种，主要分为固定云台和电动云台，固定云台适用于监控范围不大的情况，通常是将摄像机调节到一定俯仰和水平角度，锁定调整机构即可。
电动云台可以大范围扫描监控，扩大了监控的范围。
通常云台的分类，按使用环境分为室内型和室外型，室外型密封性好，防水、防尘、负载大;按安装方式分为侧装和吊装;按运动功能分为水平云台和全方位（全向）云台等。
其中根据使用环境的不同还分为通用型和特殊型。
通用性是指使用在无可燃、无腐蚀性气体或粉尘的大气环境中。
特殊型应用于易燃易爆等恶劣大气环境，最典型的特殊性应用是防爆云台。
本设计主要应用于通用系统中云台设计。
1.2.2对云台和镜头的控制原理
云台、解码器和计算机的硬件连接如图1-1所示，云台由摄像头支架和驱动器组成，驱动器的作用是通过步进电机来驱动摄像头支架的转动，从而带动摄像头的转动。
一个高性能摄像机云台可以使支架向多个方向（上、下、左、右、左上、右上、左下、右下等）转动，并可以调节摄像头的焦距、光圈、景深等。
云台一般通过解码器作为中间设备与计算机的RS232/RS485串口相连接，解码器通过串口和计算机进行通信。
解码器的主要作用是通过串口接收计算机的控制码，并对此控制码进行地址解析和命令解析，将解析的命令转换成相应的能够驱动云台转动的控制电压，再传递给云台以控制云台的转动、摄像机镜头的调节及停止操作。
图1-1云台基本原理图
计算机对云台和镜头的控制实际上是通过解码器来实现的，一个解码器只能为一个云台提供控制服务。
每个解码器都可以通过其内部的物理开关来设置其对应的地址，并且在一个监控系统中每个解码器设置的内部物理地址应该互不相同，否则就会出现混淆。
每个解码器内部也设有一个地址解析器，负责将串口发出来的数据进行地址解析。
计算机通过串口实现对云台和镜头的控制，对云台和镜头的控制信号是计算机通过串口输出到解码器的单向控制信号。
为了使用一个串口来控制多个云台和镜头，每当解码器收到控制信号时，首先就要经过解码器对控制信号进行地址解析，当发现解析的地址与解码器内部设置的地址一致时，则接受相应的控制信号，并对该控制命令进行解析，将命令转换成相应的能够驱动云台和镜头的控制电压，再将控制电压传递给云台和镜头以控制云台的转动、镜头的调解或停止等操作;否则，若发现解析的地址与解码器内部设置的地址不一致时，则该控制命令就不是本解码器所对应云台或镜头的控制信号，解码器不对控制命令做转换。
串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器，在Windows环境下，串口是系统资源的一部分。
当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。
在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。
应用程序要使用串口进行通信，必须设置通讯的串口地址、波特率、奇偶校验、数据位和停止位，在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串口），通信完成后必须释放资源（关闭串口）。
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1.2.3镜头、云台、解码器、转换器的安装方法
变倍镜头或变倍摄像机（一体机），可以实现焦距、光圈、远近的监控画面变化；云台可以实现左右、上下、自动等监控位置变化；解码器可以把变倍镜头（或一体机）、云台、报警信号等控制信号与主机之间进行双线互相传输；
以前和现在我们使用云镜控制器进行操作，除了简单的操作方法外，大量的电缆消耗、布线的复杂性、不能异地控制等缺点，使得现在的监控工程基本抛弃了云镜控制器的使用，95%以上的工程使用解码器（板）技术实现云镜控制，布线简单、操控方便、容易维护。
但是，对于出入行的新手而言，面对几十、几百甚至上千个接线端
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