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基于云台的单片机控制系统设计 Zdh 1911 摘要： 本文提出了用一主单片机 AT89C52 通过 C 语言编程实现 PC 机与多个从单片机的串口通 信，控制多台步进电机的一种方法。主单片机通过 GM 8125 实现在单通道模式下的串口通信 端口扩展。 PC 机采用 MAX 1487 芯片实现 RS-485 通信标准下的电平转换。 此法适用于 Windows 平台,并具有很好的实时性，能够实现对云台的快速实时控制。 关键词：串口通信 MAX1487 GM8125 AT89C52 步进电机 引言： 在基于图像的自动跟踪系统中， 首先云台控制子系统根据图像识别处理子系统得到的目 标图像与监视器中心位置的误差，控制云台运动方向，实现对运动目标的实时跟踪。从实际 应用情况可以知道， 目标图像在监视器显示平面中作二维运动， 因此要求云台能在水平和俯 仰两个向做独立运动， 这就要求云台的引用两台相互独立的控制运动控制系统。 如图 1 所示 摄像头 步进电机１ 步进电机２ 单片机控制系统 ＰＣ机 仰俯运动 位置数据采集 位置信息 水平控制信息 仰俯控制信息 水平运动 图 1 云台系统 1 云台控制系统的硬件设计 本文通过主单片机做数据中转实现 PC 机与从单片机之间的通信，PC 机采用 ADAM-4520、 MAX1487 实现 PC 机与单片机在 RS-485 通信协议下电平的转换。主单片机通过 GM8125 实现 PC 机、从单片机片的通信端口地址扩展。如图 2 1.1 PC 机的 RS-485 串行接口 RS-485采用平衡发送、差分接收数据，是一种抗干扰能力强、能够有效延伸数据传输距 离、便于实现多机通信的半双工串行通信方式，其接口标准是一种多发送器的，它扩展了 RS422A的性能，允许双导线上一个发送器驱动32个负载设备，通讯距离可答1200米。 采用RS-485串行通信时，在PC机与单片机之间必须有相同的通信协议，由于AT89C52单 片机采用TTL逻辑电平，在PC机侧的RS-485串行口采用+12V和-12V，为使两者相连接，在与 PC机相联接的ADAM-4520侧用MAX1487进行电平转换。 如图 2中电平转换部分。 其中ADAM-4520 用于RS-232到RS-485之间的转换；MAX1487 用于RS-485到TTL电平的转换。 从3#片端口扩展 PC机 ADAM-4520 MAX 1487 GM 812５ 主单片机 2#从单片机 1#从单片机 3#从单片机 母口 PC机端口扩展 从2#片端口扩展 从1#片端口扩展 RS-232 TO RS-485 RS-485 TO TTL 端口扩展 图 2 电平转换与端口扩展 1.2 MAX1487 MAX 1487用于电平转换，采用+5V电源供电，当供电电流约为500μA时，传输速率达到 2.5MB/S。它适用于半双工通信，通信传输线上最多可挂128个收发器，其输入输出的差动电 压符合RS-485标准， 为±2V－±6V。 MAX 1487的输入脚DI可以直接与单片机CPU的TXD脚相连， 输出脚RO与单片机CPU的RXD脚相连。MAX 1487内部的驱动器与接收器是三态的，通过DE和RE 进行发送和接收，发送和接收的两种控制信号是相反的，避免发送和接收的冲突。引脚A、B 实现多机通信。引脚DE=1，RE=0只允许PC机接收数据；DE=0，RE=1只允许PC机发送数据。 1.3 GM 8125多串口扩展 GM8125可以将一个全双工的标准串口扩展成5个标准串口，并能通过外部引脚控制串口 扩展模式：单通道工作模式和多通道工作模式。芯片的外部控制少，应用灵活，编程使用简 单，适用于大多数有串口扩展需求的系统。 本文中采用单通道工作模式， 模式控制引脚MS=1， 单通道模式在一个时刻只允许一组RXD 和TXD与母串口进行通讯。芯片的地址线用于选择希望和母串口相连接的子串口，外部MCU 通过三根输入地址线和三根输出地址线选择指定和母串口连接的子串口。输入/输出地址线 可以不相同， 则连接到母串口上的RXD和TXD可以属于不同的子串口。 STADD0～STADD2为发送 子通道地址；SRADD0～SRADD2接收子通道地址；用于通信端口选择。多串口扩展如图 3 P3.7 P3.6 P12 P13 P14 P15 P16 P17 TXD RXD AT89C52 主 单 片 机 MS RST SRADD0 SRADD1 SRADD2 STADD0 STADD1 STADD2 TXD0 RXD0 GM 8125 TXD1 RXD1 TXD2 RXD2 TXD3 RXD3 RXD4 TXD4 TXD5 RXD5 从1#片端口扩展 从2#片端口扩展 PC机端口扩展 从3# 片端口扩展 …… 母口 在现代化的监控和自动追踪系统中，云台控制系统的精确性和实时响应能力是实现系统效能的关键因素之一。尤其是在以图像为基础的自动跟踪系统中，云台控制子系统需要根据图像识别处理子系统分析得出的目标图像与监视器中心位置的误差信息，来实时地控制云台的运动方向，以达到对运动目标进行有效跟踪的目的。本文主要介绍了一种基于单片机控制系统的云台设计，该设计通过采用AT89C52单片机，结合C语言编程实现，以及串口通信技术，来实现对云台的精确控制。 在本设计中，主单片机承担着数据中转站的角色，负责PC机与多个从单片机间的通信，从而控制步进电机，实现云台的水平和俯仰运动。其中，PC机端利用ADAM-4520和MAX1487芯片，将PC机的RS-232信号转换为适合与单片机通信的RS-485信号，并通过电平转换满足TTL电平与RS-485标准之间的兼容性。如此设计不仅确保了在Windows平台上的实时性和稳定性，而且具备良好的抗干扰性能，能够支持长距离通信和多机通信。 在串口通信中，RS-485作为一种平衡差分信号通信模式，广泛应用于多机通信环境中，可以有效延长数据传输的距离，增强抗干扰能力。本系统中使用MAX1487芯片，它不仅能进行电平转换，还能在半双工通信模式下，支持最多128个收发器的连接，其差动输入输出电压符合RS-485标准，非常适合长距离和多点通信环境。 为了满足单片机的通信端口需求，本设计引入了GM8125芯片进行多串口扩展。它能将一个全双工的标准串口扩展为五个标准串口，并允许通过外部引脚控制串口的工作模式。在单通道工作模式下，GM8125允许主串口在任一时刻与一个子串口进行数据通信，通过地址线的选择，确保母串口可以与指定的子串口连接。这为实现多个从单片机的独立控制提供了可能。 硬件设计方面，云台控制系统包含两个步进电机分别负责水平和俯仰方向的运动控制。单片机控制系统通过分析PC机发送的位置和控制信息，来调整步进电机的运行，进而控制云台的运动。这要求系统必须具备高效率的实时响应能力，以保证目标图像的精确跟踪。 基于云台的单片机控制系统设计，通过合理的硬件选择和编程技术，实现了对云台控制子系统的精确操控，同时保证了系统的实时响应和稳定性。该系统不仅适用于自动化监控和追踪领域，也可拓展到其它需要远程控制和多点通信的场合。通过不断优化和完善，该云台控制系统设计在提高自动化监控系统性能、降低成本和增强操作便捷性方面具有巨大的潜力和应用价值。