伺服自动跟踪系统的电控子系统设计.docx
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伺服自动跟踪系统的电控子系统设计
摘要
随着科技向着智能化的进一步发展，越来越多的领域对目标自动跟踪系统的依赖程度越来越大，不管在民用方面还是在军用方面，它的应用越来越多，自动跟踪系统能够自动跟踪特定目标，跟踪过程不受外界干扰。
本文所要研究的系统是基于单片机的自动跟踪系统，控制系统由PC机，主控芯片MEGA16，舵机，摄像设备等组成。
工作在两种状态，对目标能进行自动检测与跟踪，还可以进行手动控制。
舵机转角为180度，由数字信号控制，数字信号是由电位器输入的模拟信号经过单片机AD转换得到，数字信号的大小可以控制PWM信号的占空比，从而控制舵机的转动位置。
这样，通过改变输入模拟量可以调节舵机的转角，进而实现手动跟踪的目的。
PC机通过串口向ATmega16传输数据，输出占空比不同的PWM波，控制舵机的转动位置和角度，进而实现对跟踪系统的自动控制。
本设计重点探讨了ATmega16单片机输出PWM波对舵机的运动控制、对LCD1602液晶显示器的控制和单片机和PC机UART通信方面的内容。
是单片机应用的一个尝试。
关键词：
ATmega16单片机PWMLCD1602UART
ABSTRACT
Alongwiththeintellectualizationofsecurity-monitoringsystem,dependenceonautomatictrackingsystemshowsitsimportanceinmoreandmorefields.Auto-trackingcameracanautomaticallytracespecifictargetwithoutoutsideinterference.ThissystemiscomposedofPC,MEGA16,steeringgearandvideodevice.Itcanaccomplishautomaticdetectionandmanualcontrolwhenitisnecessary.
Thesteeringgearmakesrotationof180degrees,controlledbydigitalsignalwhichisconvertedfromanaloguesignalbyMCUADafteritwasinputfrompotentiometer.Thesizeofthedigitalsignalregulatesthelocationofthesteeringgearbydecidingtheduty-cycleofPWMsignal.Thus,digitalsignalregulatestherotationangleofthesteeringgearandtherotationofthevideodeviceatlast.
WhatismainlydiscussedinthispaperisthecontrolofsteeringgearbyPWMsignalsentbyATMEAGA16MCU,controlofLCD1602andtheUARTcommunicationofMCUandPC.ItisanewattemptonMCU.
Keywords:
ATmega16MCUPWMLCD1602UART
第一章绪论
1.1选题背景、目的及意义
对移动载体的自动跟踪技术是自动控制领域的一个核心问题。
随着自动控制技术的迅猛发展,使得对移动载体的定位更加快速化、高精度化,这为实现自动跟踪提供了一个强有力的基础平台。
来准确地对随机或移动目标进行定位跟踪,进而完成监控和跟踪等一系列动作；在通信领域，移动载体之间的相互通信和移动载体与静止载体之间的通信都依赖于自动跟踪技术，如卫星天线自动跟踪系统，就是使地面运动载体上安装的天线能时刻对准某一颗卫星，来实现运动载体与固定卫星之间的高质量通讯；天文领域，要研究某一天体的运行规律，就必须要对它时刻追踪,将原有的机械式的手动跟踪望远镜，设置成可以自动跟踪的控制系统，无疑会大大节省出人力，而且观测不受环境条件的影响。
目前发达国家已有实用的用于移动式卫星通讯天线自动跟踪系统的产品出现，但价格昂贵，而我国尚无。
为此，设计出一套性能价格比较为合理的天线自动跟踪系统,并将技术推广，为各行业所用，在我国具有重大的现实意义。
另外，随着能源紧缺矛盾的不断尖锐化与环境污染问题的日益突出，再生能源的开发已成为当务之急，以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。
太阳能，以其广泛、清洁、永无止境等优点日益被人们所关注。
人们在太阳能的热能、电能转换的应用方面已取得了可喜的成绩，如太阳能热水器、太阳能温室、太阳泵及太阳能家电系统等。
其中用于烧饭的太阳灶也由最初的封闭式聚热箱发展到带抛物型反射镜的立式烧饭灶。
这些烧饭灶在许多国家和地区得到采用，为解决缺柴地区的烧饭问题、节省能源起到了积极的作用。
目前太阳能烧饭灶又以新的面目呈现于世—自动跟踪式太阳能厨房。
我国大部分国土位于北纬25至40之间，总的说来，日照条件还是较好的，由于这种太阳能厨房效率高、使用方便，在我国应该是有前途的。
据初步估计，在以下几方面有开发前景：
有条件的城市居民住户，在有安装场所的情况下，可用于家庭炊事，和煤气灶等并行使用；学校、企业和机关等集体食堂。
由于集体食堂燃料需求量大，且多为只供应午餐。
用这种太阳能厨房不仅能节省大量燃料，而且还起到宣传、促进太阳能应用的作用。
大型太阳灶比小型太阳灶的效率更高些，且大型太阳能厨房的生产费用也较小型的相对合算些；广大农村，在农村推广这种厨房有两大优点：
a.柴源缺乏，需求迫。
b.多为单独住宅，安全条件好。
由于目前农民烧饭仍多以柴薪为主，这种高效且操作方便、使用舒适的太阳能厨房将会受到欢迎。
当然这种系统设计及制作相当复杂，并非普通农民可以胜任，而且单台制造费用也较大，但是如果能使这种太阳能厨房的形式、结构分类规范化、商品化，批量生产后的单价将比单台制造要便宜得多。
所以作为价廉物美的太阳能厨房在我国广大农村是有巨大市场的。
因此，从长远考虑，太阳能的广泛应用将是解决我国乃至世界能源危机的重要途径。
所以这种太阳能厨房的推广将是有多方面的意义。
为此，做出一种太阳能的电子自动跟踪系统在我国乃至世界都有很现实的使用价值。
再者，从世界战争危险性的角度来看，目前爆发传统意义上的世界大战的可能性在减小，因此从总体上说世界还比较安全。
但是，频频发生的地区冲突和局部战争，此起彼伏的热点问题，导致天下并不太平。
总体和平，局部战争；总体缓和，局部紧张；总体稳定，局部动荡—这是对当今世界局势的一种比较贴切的概括。
世界上许多国家之所以有可能致力于自身发展，前提条件就在于有那个“总体”；给各国带来严峻挑战和造成困难与风险的，是“局部”。
“局部”的变数有时非常之大，足以“牵一发而动全身”，对安全构成的威胁有时也最为直接。
目标自动跟踪系统在目标的跟踪射击、间接瞄准射击、同时对多个目标自动跟踪、战场威胁目标的定位测量与报警等方面发挥着非常重要的作用，因此研究出性能优秀的自动跟踪装置和武器是我们国家现在一项迫切而又重要的任务。
本设计重点研究了基于ATmega16单片机的自动跟踪系统，对移动的载体既能够自动跟踪和检测，还可以按照人的意愿来手动控制，本系统可以用在视频监控、目标跟踪、太阳能厨房等领域中，实践证明本系统工作状态稳定灵敏度高，精度高且控制简单，操作容易是一种很有效的检测控制系统。
1.2本设计所做工作
本设计以自控控制技术为基础，结合计算机技术、通信技术、伺服控制技术、单片机技术等，研究设计一套能够对移动目标实现自动跟踪的控制系统。
并完成了从硬件选型到软件的测试等工作。
该控制系统由PC机，主控芯片Mega16，舵机，视频设备，自制云台等组成。
工作在两种状态，对目标能进行自动检测与跟踪，还可以进行手动控制。
PC机通过串口向ATmega16传输数据，输出PWM波控制舵机转动，带动视频设备转动。
视频设备将获取的图像信息返回到PC机。
PC机收到数据后，发给单片机，经过控制算法，确定舵机的转动位置和角度。
重复上述过程，实现自动控制。
舵机转角为180度，由数字信号控制，数字信号是由外接电位器输入的模拟信号经过单片机AD转换得到，数字信号的大小可以控制PWM信号的占空比，从而控制舵机的转动位置。
这样，通过数字信号可以调节舵机的转角，调节视频设备转动。
第二章方案论证及设计要求
2.1方案论证
本设计中主要任务是实现对监控系统的自动和手动控制，监控系统是通过舵机的运动而控制的，然后将其运动情况返回PC机显示在人机界面上，主要用到以下一些知识：
对伺服舵机的控制；液晶电路的控制；单片机和PC机的通信等。
这些内容在本行业里面已经很成熟，所以本方案能够实现。
本系统工作在两种状态，对目标能进行自动检测与跟踪，还可以进行手动控制。
选择以ATmega16单片机为核心控制器，电位器为模拟输入量，采用单片机自生的AD转换功能，显示部分采用LCD1602，位置的转动通过舵机来实现。
这样选择有以下几个原因：
1．AVR单片机和传统的MSC-51单片机相比有以下优点：
它是一款高速嵌入式单片机，AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快，AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低，对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备，有的器件最低1.8V即可工作；I/O口功能强，具有A/D转换等电路，AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况，工业级产品，具有大电流（灌电流）10～40mA，可直接驱动可控硅SSR或继电器，节省了外围驱动器件；AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器；部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低；AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性，有看门狗定时器实行安全保护，可防止程序走乱（跑飞），提高了产品的抗干扰能力；有功能强大的定时器/计数器及通讯接口，定时/计数器T/C有8位和16位可用作比较器，计数器外部中断和PWM（也可用作D/A）用于控制输出，某些型号的AVR单片机有3～4个PWM，是作电机无级调速的理想器件；AVR单片机有串行异步通讯UART接口，不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下，而波特率可达576Kbps。
考虑到本设计的内容和所要用到的电子元器件我们采用性价比高的AVR单片机。
2．显示部分采用LCD1602液晶。
LCD（LiquidCrystalDisplay）和传统用的LED（LightEmittingDiode）相比，LCD的优点主要包括显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低；没有电磁辐射；和传统的数码管LED显示器相比，LCD显示的内容多而丰富，从控制方面来说，节省I/O端口，而LED的显示内容比较单一，显示汉字和复杂的图像需要很高的点阵，否则显示内容不清晰，另外LED显示汉字和图形时段选的编码比较困难，考虑到上述原因和结合本设计的内容，本设计中决定采用性价比高的LCD1602作为显示设备。
3．位置的控制采用舵机的转动来实现。
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
采用单片机输出的PWM信号能够很容易改变它的转动位置，不需要多余的控制器件，控制的角度精确，而普通的电机在控制方面没有舵机这样简单，并且转速和精度上面没有舵机精确，还要外加驱动芯片，考虑到设计的成本和控制的方式，本设计采用舵机来实现位置（角度）的控制与跟踪。
2.2设计要求及其参数
本设计采用普通PC机摄像头，把图像处理、自动控制、信息科学有机的结合起来，形成了一种能从图像信号中实时的自动识别目标，提取目标位置信息，自动跟踪目标运动。
本设计完成电视图像自动跟踪的电控子系统设计。
该设计最终实现的要求是：
能够实时快速的对摄像系统进行精确的位置控制，能通过人工和自动两种方式进行控制。
为了需要，这两种方式能够随意切换，并且将运动的情况显示在人机界面上。
第三章硬件电路的设计
3.1AVR单片机简介
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
AVR的主要特性有以下几方面：
高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：
即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。
以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观（51以及51兼容）。
此间虽有某些精简指令集单片机（RISC）问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。
AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。
当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。
AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。
提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。
故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。
AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。
内嵌长寿命的EEPROM可长期保存关键数据,避免断电丢失。
片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。
AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性,使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。
AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器,分别供URAT、I2C、SPI使用。
其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。
AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出PWM）”更是令人耳目一新。
增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能,提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。
面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。
TWI与I2C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能,能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。
SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。
AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。
AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。
AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。
综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，不愧为8位机中的佼佼者。
3.1.1AVR系列单片机的选型
AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。
AVR单片机有3个档次：
低档Tiny系列AVR单片机：
主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；
中档AT90S系列AVR单片机：
主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；（正在淘汰或转型到Mega中）
高档ATmega系列AVR单片机：
主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。
AVR器件引脚从8脚到64脚，还有各种不同封装供选择。
本设计采用ATMEGA16L单片机，ATMEGA16L融入了先进的E2PROM电可擦除和FLASHROM闪存储器技术，使其具有了片上操作系统（SOPC）的功能。
ATMEGA16L单片机采用哈佛和RISC（精简指令集）结构，具有16MIPS/16MHZ的高速运行处理能力并且采用采用32个通用工作寄存器组成快速存取寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间数据传送造成的瓶颈现象。
ATMEGA16L单片机还具有在系统编程（ISP）的特点，这给学习和使用ATMEGA16L单片机带来了极大的方便。
由于这些特点，使其成为一款具有极高性能价格比的单片机，在产品应用市场上极具竞争力，从而使ATMEGA16L迅速进入广泛的应用领域，本设计也采用该单片机为主控制器。
3.1.2单片机资源利用统计
表3-1单片机资源利用统计表
10
VCC
+5V电源，舵机1、2的正极
11
GND
地，舵机1、2的负极
18
PD4（OC1B）
舵机2的数据线
19
PD5（OC1A）
舵机1的数据线
33
PA7（ADC7）
LCD1602的D7
34
PA6（ADC6）
LCD1602的D6
35
PA5（ADC5）
LCD1602的D5
36
PA4（ADC4）
LCD1602的D4
37
PA3（ADC3）
LCD1602的E
38
PA2（ADC2）
LCD1602的RS
39
PA1（ADC1）
1#电位器
40
PA0（ADC0）
2#电位器
14
PD0（RX）
RX
15
PD0（TX）
TX
3.2硬件电路框图
本设计是以ATmega16单片机为主控制器，驱动电机带动摄像系统的转动和精确的位置角度控制，PC机通过收到摄像系统收到的数据，分析结果，确定摄像系统的位置和角度，将命令发给单片机，单片机通过调节舵机的转动来实现改变摄像系统的位置和角度，本系统另外还可以人工通过电位器的模拟输入，通过单片机AD转换得出数字量，控制舵机的控制信号，从而来实现对摄像系统的人工控制。
硬件原理框图见图3.1。
3.3硬件原理图
该设计是以ATmega16单片机为核心，通过串口和两路PWM输出控制伺服舵机的运动来实现自动跟踪，并且将舵机的运动情况输出显示在液晶LCD1602上。
串口主要是根据监控摄像系统反馈的信息来确定舵机的转动，这是对自动跟踪系统的自动控制，还有两路通过电位器输入的模拟信号经单片机内部AD转换得到数字信号，数字信号决定PWM的占空比，从而控制舵机运动的位置和角度。
两路电位器得到的模拟量输入到单片机的PA0、PA1即ADC0和ADC1。
PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7分别接液晶LCD1602的RS、E、D4、D5、D6和D7。
PB0与PC0、PC1、PC2组成三个矩阵式键盘，组成友好的人机界面。
PD0、PD1即单片机的UART接口，通过RS-232实现和PC机的通信。
PD4、PD5即单片机的OC1A、OC1B输出不同占空比的PWM波，外接两路舵机，实现对摄像系统位置和角度的控制。
为了系统的稳定和提高内部AD的抗干扰能力在AVCC/AREF上面外接电阻和电容的串联电路。
图3.1硬件电路框图
3.4舵机驱动电路
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
工作原理：
控制电路板接收来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
图3.2伺服自动跟踪系统的电控子系统设计电路图
舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。
电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。
另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。
但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。
舵机控制原理：
舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。
图3.3舵机实物图
基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。
单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：
首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：
0.5ms--------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度；
这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。
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