基于STC89C52單片機的可控旋轉視覺試驗臺的設計

黃佳軍，項輝宇，劉倩倩，孫 超

（北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048）

基于STC89C52單片機的可控旋轉視覺試驗臺的設計

黃佳軍，項輝宇，劉倩倩，孫 超

（北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048）

為實現對物體的不同角度、不同位置、不同速度的拍照，設計了一種基于STC89C52單片機的可控旋轉視覺試驗臺。試驗臺由系統軟件及硬件共同組成，實現了試驗臺角度的調節，正反轉的控制、速度的控制。將兩個CCD攝像機擺放在試驗臺的兩側，通過對試驗臺的控制，然后按照既定的條件觸發攝像機拍照，將獲得的圖片傳輸至圖像處理分析軟件中進行分析處理。

視覺測量；試驗臺；STC89C52；步進電機

0 引言

視覺測量技術主要分為兩個階段，即圖像采集階段、對圖片的分析處理階段。圖像質量的好壞決定著視覺測量的精度，所以在視覺測量系統中，圖像的采集也是尤為重要的?；诖吮驹囼炁_的設計主要是完成前期的工作即圖像采集階段。當今國內視覺測量試驗臺還不是特別多，不能夠滿足和模擬產品在生產過程中的各種狀態。本設計采用STC59C52芯片作為系統控制器，采用步進電機驅動芯片去驅動步進電機的方式去控制旋轉試驗臺的精確轉動，利用復位開關按鍵和數碼管去實現試驗臺的控制和數據顯示。通過實驗對比，證實該設計是切實可行的。

1 系統方案設計

1.1 系統組成及工作原理

本試驗臺的設計要求：轉盤轉速在速度范圍內可調、轉盤轉角為0～360°且精度越高越好，誤差在5%以內、轉盤可正轉可反轉、可實時顯示輸入數據、實時采集圖像等。故本試驗臺主要由單片機、數碼管顯示電路、鍵盤的掃描電路、驅動電路、時鐘電路與復位電路、電源電路、通訊電路和攝像機拍照電路等組成。圖1為該試驗臺原理結構框圖。

該系統的工作原理為：通過按鍵掃描電路輸入數據，并通過數碼管顯示電路實時顯示數據。然后根據不同的控制需要將數據傳遞給單片機作為發送給步進電機的脈沖個數或者頻率，從而實現對試驗臺的控制，并在需要的位置對物體進行手動拍照，進而實現整個試驗臺的設計要求。

可控旋轉試驗臺實現的基礎是步進電機和復位開關。步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，它的功能是將脈沖信號轉化成角位移，即只有當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號后才能驅動步進電機轉動一個固定的角度（步矩角）。

試驗臺轉動角度（°）=步進電機分辨率（°）*脈沖數；試驗臺轉動速度（°）=脈沖頻率（Hz）*60/每圈步進電機的分割數（步進電機轉動一圈需要的脈沖數）。

從上述兩個公式可以推出：通過控制輸入脈沖的數量和頻率可以控制步進電機的旋轉角度和旋轉速度，從而達到準確定位和調速的目的。 然后利用多個復位開關實現對試驗臺的控制。

圖1 試驗臺原理結構框圖

1.2 圖像采集

圖像采集的過程從幾何角度可以看成是將客觀世界的場景通過投影進行空間轉化的過程，如用照相機或者攝像機進行圖像采集時要將3D客觀場景投影到2D圖像平面。這個投影過程可用投影變換來描述。

如圖2所示為一成像過程的基本幾何模型示意圖，其中攝像機坐標系統xyz中的圖像平面與xy平面重合而光軸（由鏡頭中心給出）沿Z軸。這樣圖像平面的中心處于原點，鏡頭中心的坐標是（0,0），λ是鏡頭的焦距。根據投影變換，可以得出攝像機坐標系統中任一點的笛卡爾坐標的矢量形式：

圖2 投影變換成像示意圖

其中c的前兩項是3D空間點投影到圖像平面后的坐標。本設計使用的攝像機型號為DH-HV1302UM和DH-HV1303UM，在攝像機自帶的開發程序HVDevice中將攝像機的同步方式改成外觸發，并且是選擇電壓下降沿外觸發。連接攝像機的觸發端口與單片機的引腳相連，利用軟件編程改變引腳的電平，使單片機引腳能輸出一個下降沿脈沖信號，信號傳遞至攝像機觸發拍照。

2 系統硬件設計

本試驗臺采用STC89C52作為主芯片。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節Flash，512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。

本系統所用單片機引腳及其功能如表1所示。

表1 STC89C52芯片引腳功能表

圖3 所示為試驗臺驅動系統總體電路圖。驅動系統可以分成：時鐘電路模塊、按鍵控制模塊、復位電路模塊、步進電機驅動模塊、按鍵掃描機數碼管顯示模塊、電源模塊、通訊電路模塊。下面對幾個重要模塊加以說明。

圖3 試驗臺系統總體電路圖

2.1 按鍵掃描及數碼管顯示模塊

按鍵掃描及數碼管顯示模塊主要由單片機的P0口上拉電阻、共陰極四位八段的數碼管和4×4鍵盤組成。

4×4 鍵盤采用高電平掃描的方式。高電平掃描時將公共端接地，當沒有任何鍵被按下時，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3保持為低電平。送入P2.4、P2.5、P2.6、P2.7的掃描信號中，只有一個為高電平，其余三個為低電平。如此時有按鍵按下，對應交叉點的行線和列線端接，行線的輸出依賴于與此行連接的列線的電平狀態。由此可以實現矩陣式鍵盤的編碼處理。

數碼管的顯示掃描信號與按鍵的列掃描信號共用P2口高四位端口。由于P0口是漏極開路輸出，作為I/O口使用時必須加上拉電阻，上拉電阻的大小根據需要的數碼管亮度進行選擇。在P2.4、P2.5、P2.6、P2.7對數碼管的掃描信號加上三極管可以擴展I/O的驅動能力，而且可以起到緩沖和隔離的作用，使單片機更加穩定可靠。

八段數碼管由8個發光二極管組成，其中7個發光二極管 a、b、c、d、e、f、g構成字型 “8”， 另一個發光二極管DP構成小數點。本設計使用的數碼管為共陰極數碼管，共陰極數碼管顯示的字符與單片機的P0口輸出數據之間的關系如表2所示。本設計中數據選用的是十進制，故只需要0-9的字符。因為本設計要實時顯示所輸數據，則四位數碼管顯示方式選擇動態顯示法。所謂動態顯示法就是一個一個地點亮LED，每次只有一個LED被點亮，每隔一段時間循環點亮一次。當循環點亮的速度很快的時候，根據人眼的視覺暫留效應，可以認為各個LED是穩定顯示的。

表2 7段共陰極LED段碼

模塊的原理如下：系統復位，單片機開始對4×4按鍵進行列掃描，當有按鍵被按下時，某列線電平發生改變。又由于交叉點的行線和列線相連，使得某行線對應的I/O的電平發生改變，單片機接收到兩者的信號后編碼得出按鍵的位置。然后單片機將該位置的字符對應的LED段碼發送至數碼管，四位數碼管在最右位顯示該字符。依次類推，當第二次按下按鍵后，數碼管將之前的字符左移一位，便可以實現數碼管實時顯示按鍵數據。當按下P1.4（數據確定鍵）的時候，數據保存、按鍵掃描停止且數碼管顯示該數據且不再改變。

2.2 步進電機驅動模塊

步進電機的驅動脈沖是由單片機產生的，單片機通過P1.0，P1.1，P1.2，P1.3給驅動芯片L298N脈沖信號。脈沖信號先經上拉電阻將電流增大后再經過L298N電流放大，然后驅動步進電機轉動。本設計使用的步進電機型號為57BYGH，其步矩角為1.8°，最大靜力矩為80N·cm，是兩相混步式步進電機。故其工作方式有以下幾種：①兩相四拍：A-B-A'-B'-A-等；②兩相雙四拍：AB-BA'-A'B'-B'A-AB-等；③兩相八拍：A-AB-BBA'-A'-A'B'-B'-B'A-A-等。

因步進電機的步矩角與步進電機的參數有關且不變，為了實現進一步增強步進電機的控制精度，本設計采用的是兩相八拍式工作方式，可以將步進電機的分辨率減小到0.9°/脈沖。兩相八拍式共有八個狀態，如果P1口的前四個端口輸出的控制信號中，用 “0”和 “1”分別代表繞組通電和斷電，則可用八個控制字來對應著八個狀態。步進電機的A、A'、B、B'接線分別對應著單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，則單片機的控制字符與步進電機節拍的關系如表3。通過正向調用或者反向調用則可以實現步進電機的正反轉。

表3 步進電機控制字符

L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續工作電流為 2A；額定功率25W。L298N芯片內部包含4通道邏輯驅動電路，可單獨控制兩臺直流電機或者一臺四相的步進電機，可以直接用單片機的I/O口提供信號，電路簡單比較方便。

模塊原理如下：當按下鍵P1.5（按角度轉動）時，按鍵掃描的數據被單片機計算后作為步進電機的脈沖個數，通過單片機輸出給步進電機，由此可精確控制步進電機的轉角。同理當按下鍵P1.6（按速度正轉）、按鍵P1.7（速度反轉）時，按鍵掃描的數據被單片機作為延時函數的延時基數，使輸出的脈沖信號頻率發生改變，由此精確控制步進電機的轉速。

3 系統軟件設計

軟件系統采用模塊化結構設計，主要包括單片機C語言編寫的延時程序、按鍵掃描程序、數碼管顯示程序、步進電機正反轉程序、角度和轉速的控制程序、攝像頭拍照程序等。其基本思路為：將按鍵掃描程序收到的數據信號經過單片機處理輸出給步進電機，然后通過不同的按鍵，控制步進電機的方向、 轉速、 轉角，然后使用單片機的中斷功能實現攝像機拍照程序。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

4 結果分析

研制完成的試驗臺如圖5所示，將編寫的程序通過keil uVsion2軟件調試和編譯后，利用STC公司的STCISP軟件燒寫程序，將編譯后的代碼通過串行口通訊發送至單片機。然后對其測試，檢測其轉動角度的準確度。分別輸入不同的數據，然后選擇按角度正轉，利用博世的角度測量儀DWM40L去測量實際角度。理論角度是單片機根據輸入角度經過單片機計算后輸出給步進電機的角度，三者對比見表4。從表4中看出，理論角度與輸入角度之間的誤差是因為步進電機的分辨率造成的，步進電機的分辨率越小， 則誤差越小。實際角度與理論角度之間的誤差是由于制造誤差或測量誤差造成，且由數據中可知誤差較小。實際角度與輸入角度之間的誤差在5%以內，故可以滿足試驗臺的設計要求。當選擇以速度正反轉時，速度穩定。故該可控試驗臺對流水線產品檢測的模擬實驗具有很高的實用性。

圖5 試驗臺系統實物圖

表4 角度對比表

5 結論

本試驗臺的設計充分利用STC89C52單片機的輸出功能、時鐘復位功能及外部中斷的功能，充分發揮L298N驅動芯片的高電壓、大電流的優點。試驗臺的控制電路簡單、經濟適用、功能強大、易于操作。利用STC89C52和L298N芯片硬件和軟件的結合實現視覺檢測的功能，克服了傳統試驗臺價格昂貴、功能單一、不能精確得出轉速或轉角的缺點。在視覺測量試驗臺上具有一定的發展前景。

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Design of Controlled Rotary Vision Test-bed Based on STC89C52 Single-chip Microcomputer

HUANG Jia-Jun，XIANG Hui-Yu，LIU Qian-Qian，SUN Chao

In order to realize take photos of objects in different angles,different positions,different speed,so designed a controlled rotary visual test-bed based on STC89C52 MCU.Test-bed consists of the systems of software and hardware,implements the adjustment of angle, control of speed and reversing.With putting two CCD cameras on both sides of the test bench,through the control of test-bed,and then trigger the camera to take pictures in accordance with the established conditions,and send the images to analysis soft.

visual measuring；test-bed；STC89C52；stepper motor

TM93

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.047

1002－6673（2014）03－121－04

2014－04－03

項目來源：學科建設綜合計劃 （PXW2012_014213_000059）

黃佳軍（1991-），男，研究生。專業：機械工程；項輝宇（1966-），男，工學博士，教授。主要研究方向：數字化設計制造技術。