黃佳軍，項(xiàng)輝宇，劉倩倩，孫 超

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

基于STC89C52單片機(jī)的可控旋轉(zhuǎn)視覺(jué)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

黃佳軍，項(xiàng)輝宇，劉倩倩，孫 超

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的不同角度、不同位置、不同速度的拍照，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的可控旋轉(zhuǎn)視覺(jué)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)由系統(tǒng)軟件及硬件共同組成，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)角度的調(diào)節(jié)，正反轉(zhuǎn)的控制、速度的控制。將兩個(gè)CCD攝像機(jī)擺放在試驗(yàn)臺(tái)的兩側(cè)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制，然后按照既定的條件觸發(fā)攝像機(jī)拍照，將獲得的圖片傳輸至圖像處理分析軟件中進(jìn)行分析處理。

視覺(jué)測(cè)量；試驗(yàn)臺(tái)；STC89C52；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)主要分為兩個(gè)階段，即圖像采集階段、對(duì)圖片的分析處理階段。圖像質(zhì)量的好壞決定著視覺(jué)測(cè)量的精度，所以在視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中，圖像的采集也是尤為重要的。基于此本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)主要是完成前期的工作即圖像采集階段。當(dāng)今國(guó)內(nèi)視覺(jué)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)還不是特別多，不能夠滿足和模擬產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的各種狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用STC59C52芯片作為系統(tǒng)控制器，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方式去控制旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，利用復(fù)位開(kāi)關(guān)按鍵和數(shù)碼管去實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的控制和數(shù)據(jù)顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證實(shí)該設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在速度范圍內(nèi)可調(diào)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為0～360°且精度越高越好，誤差在5%以內(nèi)、轉(zhuǎn)盤可正轉(zhuǎn)可反轉(zhuǎn)、可實(shí)時(shí)顯示輸入數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)采集圖像等。故本試驗(yàn)臺(tái)主要由單片機(jī)、數(shù)碼管顯示電路、鍵盤的掃描電路、驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路與復(fù)位電路、電源電路、通訊電路和攝像機(jī)拍照電路等組成。圖1為該試驗(yàn)臺(tái)原理結(jié)構(gòu)框圖。

該系統(tǒng)的工作原理為：通過(guò)按鍵掃描電路輸入數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)碼管顯示電路實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。然后根據(jù)不同的控制需要將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)作為發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)或者頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制，并在需要的位置對(duì)物體進(jìn)行手動(dòng)拍照，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

可控旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是步進(jìn)電機(jī)和復(fù)位開(kāi)關(guān)。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的功能是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成角位移，即只有當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步矩角）。

試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）=步進(jìn)電機(jī)分辨率（°）*脈沖數(shù)；試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度（°）=脈沖頻率（Hz）*60/每圈步進(jìn)電機(jī)的分割數(shù)（步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的脈沖數(shù)）。

從上述兩個(gè)公式可以推出：通過(guò)控制輸入脈沖的數(shù)量和頻率可以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的目的。 然后利用多個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)原理結(jié)構(gòu)框圖

1.2 圖像采集

圖像采集的過(guò)程從幾何角度可以看成是將客觀世界的場(chǎng)景通過(guò)投影進(jìn)行空間轉(zhuǎn)化的過(guò)程，如用照相機(jī)或者攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集時(shí)要將3D客觀場(chǎng)景投影到2D圖像平面。這個(gè)投影過(guò)程可用投影變換來(lái)描述。

如圖2所示為一成像過(guò)程的基本幾何模型示意圖，其中攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)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(diǎn)，鏡頭中心的坐標(biāo)是（0,0），λ是鏡頭的焦距。根據(jù)投影變換，可以得出攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中任一點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)的矢量形式：

圖2 投影變換成像示意圖

其中c的前兩項(xiàng)是3D空間點(diǎn)投影到圖像平面后的坐標(biāo)。本設(shè)計(jì)使用的攝像機(jī)型號(hào)為DH-HV1302UM和DH-HV1303UM，在攝像機(jī)自帶的開(kāi)發(fā)程序HVDevice中將攝像機(jī)的同步方式改成外觸發(fā)，并且是選擇電壓下降沿外觸發(fā)。連接攝像機(jī)的觸發(fā)端口與單片機(jī)的引腳相連，利用軟件編程改變引腳的電平，使單片機(jī)引腳能輸出一個(gè)下降沿脈沖信號(hào)，信號(hào)傳遞至攝像機(jī)觸發(fā)拍照。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)采用STC89C52作為主芯片。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。

本系統(tǒng)所用單片機(jī)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(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體電路圖。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以分成：時(shí)鐘電路模塊、按鍵控制模塊、復(fù)位電路模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵掃描機(jī)數(shù)碼管顯示模塊、電源模塊、通訊電路模塊。下面對(duì)幾個(gè)重要模塊加以說(shuō)明。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)總體電路圖

2.1 按鍵掃描及數(shù)碼管顯示模塊

按鍵掃描及數(shù)碼管顯示模塊主要由單片機(jī)的P0口上拉電阻、共陰極四位八段的數(shù)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(shí)將公共端接地，當(dāng)沒(méi)有任何鍵被按下時(shí)，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(hào)中，只有一個(gè)為高電平，其余三個(gè)為低電平。如此時(shí)有按鍵按下，對(duì)應(yīng)交叉點(diǎn)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(tài)。由此可以實(shí)現(xiàn)矩陣式鍵盤的編碼處理。

數(shù)碼管的顯示掃描信號(hào)與按鍵的列掃描信號(hào)共用P2口高四位端口。由于P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為I/O口使用時(shí)必須加上拉電阻，上拉電阻的大小根據(jù)需要的數(shù)碼管亮度進(jìn)行選擇。在P2.4、P2.5、P2.6、P2.7對(duì)數(shù)碼管的掃描信號(hào)加上三極管可以擴(kuò)展I/O的驅(qū)動(dòng)能力，而且可以起到緩沖和隔離的作用，使單片機(jī)更加穩(wěn)定可靠。

八段數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管 a、b、c、d、e、f、g構(gòu)成字型 “8”， 另一個(gè)發(fā)光二極管DP構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用的數(shù)碼管為共陰極數(shù)碼管，共陰極數(shù)碼管顯示的字符與單片機(jī)的P0口輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如表2所示。本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)選用的是十進(jìn)制，故只需要0-9的字符。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要實(shí)時(shí)顯示所輸數(shù)據(jù)，則四位數(shù)碼管顯示方式選擇動(dòng)態(tài)顯示法。所謂動(dòng)態(tài)顯示法就是一個(gè)一個(gè)地點(diǎn)亮LED，每次只有一個(gè)LED被點(diǎn)亮，每隔一段時(shí)間循環(huán)點(diǎn)亮一次。當(dāng)循環(huán)點(diǎn)亮的速度很快的時(shí)候，根據(jù)人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，可以認(rèn)為各個(gè)LED是穩(wěn)定顯示的。

表2 7段共陰極LED段碼

模塊的原理如下：系統(tǒng)復(fù)位，單片機(jī)開(kāi)始對(duì)4×4按鍵進(jìn)行列掃描，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，某列線電平發(fā)生改變。又由于交叉點(diǎn)的行線和列線相連，使得某行線對(duì)應(yīng)的I/O的電平發(fā)生改變，單片機(jī)接收到兩者的信號(hào)后編碼得出按鍵的位置。然后單片機(jī)將該位置的字符對(duì)應(yīng)的LED段碼發(fā)送至數(shù)碼管，四位數(shù)碼管在最右位顯示該字符。依次類推，當(dāng)?shù)诙伟聪掳存I后，數(shù)碼管將之前的字符左移一位，便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示按鍵數(shù)據(jù)。當(dāng)按下P1.4（數(shù)據(jù)確定鍵）的時(shí)候，數(shù)據(jù)保存、按鍵掃描停止且數(shù)碼管顯示該數(shù)據(jù)且不再改變。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖是由單片機(jī)產(chǎn)生的，單片機(jī)通過(guò)P1.0，P1.1，P1.2，P1.3給驅(qū)動(dòng)芯片L298N脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)先經(jīng)上拉電阻將電流增大后再經(jīng)過(guò)L298N電流放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)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(jìn)電機(jī)。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(jìn)電機(jī)的步矩角與步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)有關(guān)且不變，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)的控制精度，本設(shè)計(jì)采用的是兩相八拍式工作方式，可以將步進(jìn)電機(jī)的分辨率減小到0.9°/脈沖。兩相八拍式共有八個(gè)狀態(tài)，如果P1口的前四個(gè)端口輸出的控制信號(hào)中，用 “0”和 “1”分別代表繞組通電和斷電，則可用八個(gè)控制字來(lái)對(duì)應(yīng)著八個(gè)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)的A、A'、B、B'接線分別對(duì)應(yīng)著單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，則單片機(jī)的控制字符與步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍的關(guān)系如表3。通過(guò)正向調(diào)用或者反向調(diào)用則可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

表3 步進(jìn)電機(jī)控制字符

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率25W。L298N芯片內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)或者一臺(tái)四相的步進(jìn)電機(jī)，可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，電路簡(jiǎn)單比較方便。

模塊原理如下：當(dāng)按下鍵P1.5（按角度轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，按鍵掃描的數(shù)據(jù)被單片機(jī)計(jì)算后作為步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)輸出給步進(jìn)電機(jī)，由此可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。同理當(dāng)按下鍵P1.6（按速度正轉(zhuǎn)）、按鍵P1.7（速度反轉(zhuǎn)）時(shí)，按鍵掃描的數(shù)據(jù)被單片機(jī)作為延時(shí)函數(shù)的延時(shí)基數(shù)，使輸出的脈沖信號(hào)頻率發(fā)生改變，由此精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)C語(yǔ)言編寫的延時(shí)程序、按鍵掃描程序、數(shù)碼管顯示程序、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序、角度和轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理輸出給步進(jìn)電機(jī)，然后通過(guò)不同的按鍵，控制步進(jìn)電機(jī)的方向、 轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)角，然后使用單片機(jī)的中斷功能實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)拍照程序。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)果分析

研制完成的試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，將編寫的程序通過(guò)keil uVsion2軟件調(diào)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(guò)串行口通訊發(fā)送至單片機(jī)。然后對(duì)其測(cè)試，檢測(cè)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確度。分別輸入不同的數(shù)據(jù)，然后選擇按角度正轉(zhuǎn)，利用博世的角度測(cè)量?jī)xDWM40L去測(cè)量實(shí)際角度。理論角度是單片機(jī)根據(jù)輸入角度經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算后輸出給步進(jìn)電機(jī)的角度，三者對(duì)比見(jiàn)表4。從表4中看出，理論角度與輸入角度之間的誤差是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的分辨率造成的，步進(jìn)電機(jī)的分辨率越小， 則誤差越小。實(shí)際角度與理論角度之間的誤差是由于制造誤差或測(cè)量誤差造成，且由數(shù)據(jù)中可知誤差較小。實(shí)際角度與輸入角度之間的誤差在5%以內(nèi)，故可以滿足試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)選擇以速度正反轉(zhuǎn)時(shí)，速度穩(wěn)定。故該可控試驗(yàn)臺(tái)對(duì)流水線產(chǎn)品檢測(cè)的模擬實(shí)驗(yàn)具有很高的實(shí)用性。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物圖

表4 角度對(duì)比表

5 結(jié)論

本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)充分利用STC89C52單片機(jī)的輸出功能、時(shí)鐘復(fù)位功能及外部中斷的功能，充分發(fā)揮L298N驅(qū)動(dòng)芯片的高電壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)臺(tái)的控制電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、功能強(qiáng)大、易于操作。利用STC89C52和L298N芯片硬件和軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)視覺(jué)檢測(cè)的功能，克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)價(jià)格昂貴、功能單一、不能精確得出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的缺點(diǎn)。在視覺(jué)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)上具有一定的發(fā)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(xiàng)目來(lái)源：學(xué)科建設(shè)綜合計(jì)劃 （PXW2012_014213_000059）

黃佳軍（1991-），男，研究生。專業(yè)：機(jī)械工程；項(xiàng)輝宇（1966-），男，工學(xué)博士，教授。主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。