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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)的內(nèi)容和要求
（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求）
設(shè)計(jì)一種數(shù)控云臺(tái)，該設(shè)備主要應(yīng)用于室內(nèi)，采用吊裝式，全天候都能進(jìn)行監(jiān)控，并且要求設(shè)計(jì)其控制部分，編出設(shè)計(jì)程序，使之實(shí)現(xiàn)數(shù)控化。具體要求如下：
1. Z方向行程范圍0－355，X方向行程范圍－45－＋45
2. Z方向最小速度1r/s，最大速度2r/s；X方向最小速度0.5/s，最大速度90/s
3. 兩個(gè)方向的速度從最靜止提高到最大速度的時(shí)間為0.2s
4. 設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度為每天24小時(shí)，每年工作360天，工作20年
5. 控制部分要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的鏡頭的變焦、聚焦和行程控制等功能
6. 云臺(tái)外形要美觀，而且有利于攝像機(jī)的隱蔽，在工作期間不易于被人發(fā)現(xiàn)
圖紙內(nèi)容及張數(shù)
要求完成的圖紙內(nèi)容及要求
1. 系統(tǒng)裝配圖A1―――――――――――――――――――――――1張；
2. 關(guān)鍵部件零件圖A3―――――――――――――――――――――2張；
3. 數(shù)字控制原理圖A1―――――――――――――――――――――1張；
4. 關(guān)鍵部件零件圖A4―――――――――――――――――――――1張
其它要提交的設(shè)計(jì)資料
1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明（論文）書(shū)一份，不少于1.8萬(wàn)字；
2. 說(shuō)明（論文）書(shū)要求有方案論證分析，必要的理論計(jì)算，部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，及選用說(shuō)明，電氣控制電路，設(shè)計(jì)分析，計(jì)算說(shuō)明；
3. 包括一個(gè)有圖紙和設(shè)計(jì)說(shuō)明（論文）書(shū)內(nèi)容的軟盤(pán)。
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
起訖日期
工作內(nèi)容
備注
3.25~4.13
4.16~4.24
4.25~5.5
5.6~5.13
5.14~5.20
5.21~6.4
6.5~6.10
查設(shè)計(jì)資料，方案分析；
總體方案設(shè)計(jì)；
傳動(dòng)和總體結(jié)構(gòu)計(jì)算；
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
數(shù)字控制原理圖設(shè)計(jì)及實(shí)體設(shè)計(jì)；
編寫(xiě)設(shè)計(jì)程序和撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
畢業(yè)答辯。
參考文獻(xiàn)
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湛江海洋大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）書(shū)
設(shè)計(jì)題目： 室內(nèi)數(shù)控云臺(tái)設(shè)計(jì)
（中英文）： The design for the
Numerical control sputnik indoors
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： xx xxxxxxxxxxxxxx
學(xué)生姓名： xxxxxxxxxxxx
指導(dǎo)教師： xxxxxx 職稱： 副教授
xxxxxx 職稱： 講 師
2008 年 6 月 10 日
目錄
摘要…………………………………………………………………………………………………1
前言…………………………………………………………………………………………………2
第一章 緒論……………………………………………………………………………………….3
第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)…………………………………………………………….4
第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)..……………………………………………….………...4
第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析..………………………………………………...4
第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)…………………...………………………………………………...4
第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出………...………………………………………………...4
第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述………...………………………………………………...5
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)…………………...……………………………………………………...6
第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用…...…………………………………………………….…...6
第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………….....8
第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………...13
第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)…………………………………………...………………………15
第五章 控制部分的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………16
第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求………………………………………………….16
第二節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案…………………………………………………………….17
第三節(jié) 軟件設(shè)計(jì)……………………………………………………………………….21
第六章 總 結(jié)……………….……………………………………………………………………31
第七章 外文翻譯…………………………………………………………………………………32
第八章 參考資料………………………………..………………………………………………..44
第九章 附錄……………………………………..………………………………………………..45
摘要：
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中的前端設(shè)備——數(shù)控云臺(tái)，此設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控云臺(tái)的工作環(huán)境、機(jī)械指標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)和主要技術(shù)要求，采用室內(nèi)智能球型云臺(tái)。球型外殼能減少灰塵及各種干擾，日常維護(hù)方便，可達(dá)到隱蔽監(jiān)視的目的，云臺(tái)在水平方向可連續(xù)350無(wú)級(jí)變速掃描，并設(shè)有設(shè)置攝像點(diǎn)的功能。本設(shè)計(jì)介紹了數(shù)控云臺(tái)的傳動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的介紹。
關(guān)鍵詞：閉路電視系統(tǒng) 數(shù)控云臺(tái) 步進(jìn)電機(jī)
ABSTRACT：
This graduation project is to design a numerical control (NC) sputnik of the closed-circuit video tape system.The project based on the workung cinditions、the mechanical guideline、the design parameter and the primary technical repuirements.The intellectual spherical sputnik for indoor was applied to the project.The spherical husk can reduce dust and all kinds of disturb,it is easy to maintain,it can spy in hidden place.In horizon,it can successively scan a round in stepless timing,and have the function of Preset Positions.The project introduce druvung principle construction features and the function of NC sputnik.It simply introduce repeating motor.
KEYWORDS:
Closed-circuit videotape system, Numerical control sputnik, stepping motor
前 言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于電話通信，對(duì)信息傳輸?shù)囊?，不但要求?tīng)到對(duì)方的聲音，更希望看到對(duì)方的形象，而且還要看到對(duì)方活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)。黑白圖像早己不能滿足人們的要求，人們希望看到的是對(duì)方的彩色圖像。
監(jiān)控電視主要是對(duì)機(jī)要部門(mén)、商場(chǎng)、貨場(chǎng)、生產(chǎn)等部門(mén)的監(jiān)視、控制和報(bào)警。最簡(jiǎn)單地監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機(jī)和一臺(tái)監(jiān)視器，中間饋線連接而組成。一般的監(jiān)控系統(tǒng)都是比較復(fù)雜的。它可以完成的功能也是比較多的。
目前，圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸普及到了文化教育、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸管理、醫(yī)療衛(wèi)生、水下作業(yè)、鐵路現(xiàn)場(chǎng)、公安系統(tǒng)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。由于圖像通信與監(jiān)控系統(tǒng)，具有形象直觀．安全可靠，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，它在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中，特別在通信現(xiàn)代化，管理現(xiàn)代化中無(wú)疑將會(huì)日益發(fā)揮重要作用。
第一章 緒論
云臺(tái)是承載攝象機(jī)進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。云臺(tái)內(nèi)裝兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)負(fù)責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)負(fù)責(zé)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一般350。，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)則有土45。，土35。、土75。等等。水平及垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小可通過(guò)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)整。
云臺(tái)的分類大致分為室內(nèi)用云臺(tái)及室外用云臺(tái)。室內(nèi)用云臺(tái)承重小，沒(méi)有防雨裝置。室外用云臺(tái)承重大，有防雨裝置。有些高檔的室外云臺(tái)除有防雨裝置外，還有防凍加溫裝置。為適應(yīng)安裝不同的攝象機(jī)及防護(hù)罩，云臺(tái)的承重應(yīng)是不同的。因而應(yīng)根據(jù)選用的攝象機(jī)及防護(hù)罩的總重量來(lái)選用合適承重的云臺(tái)。室內(nèi)云臺(tái)的承重量較小，云臺(tái)的體積和自重也較小。室外用云臺(tái)因?yàn)榭隙ㄒ谒纳厦姘惭b帶有防護(hù)罩(往往還是全天候防護(hù)罩)的攝象機(jī)，所以承重量都較大。它的體積和自重也較大。
目前出廠的室內(nèi)云臺(tái)承重量大約1.5KG—7KG左右。室外用云臺(tái)承重量大約7KG—50KG左右。還有些云臺(tái)是微型云臺(tái)，比如與攝象機(jī)一起安裝在半球型防護(hù)罩內(nèi)或全天候防護(hù)罩內(nèi)的云臺(tái)。
一般的云臺(tái)均屬于有線控制的數(shù)控云臺(tái)。云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)在控制室操作控制器，將控制電壓通過(guò)多芯電纜直接加到云臺(tái)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)上，或者通過(guò)通信電纜控制遠(yuǎn)端的解碼器，再又解碼器經(jīng)局部多芯電纜將電壓加到云臺(tái)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。
還有的云臺(tái)內(nèi)裝繼電器等控制電路，這樣的云臺(tái)往往有六個(gè)控制輸入端。一個(gè)是電源的公共端，另四個(gè)是上、下、左、右端。還有一個(gè)則是自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)端。當(dāng)電源的一端接在公共端后，電源另一端接在“自動(dòng)”端后，云臺(tái)將帶動(dòng)攝象機(jī)頭按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行上、下、左、右的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
在電源供電電壓方面，目前常見(jiàn)的有交流24V和220v兩種。云臺(tái)的耗電功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，還有直流6V供電的室內(nèi)用小型云臺(tái)，可在其內(nèi)部安裝電池，并用紅外遙控器進(jìn)行遙控。目前大多數(shù)云臺(tái)仍采用有線遙控方式。云臺(tái)的安裝位置距控制中心較近，且數(shù)量不多時(shí)，一般采用從控制臺(tái)直接輸出控制信號(hào)進(jìn)行控制。而當(dāng)云臺(tái)的安裝位置距離控制中心較遠(yuǎn)且數(shù)量較多時(shí)，往往采用總線方式傳送編碼的控制信號(hào)并通過(guò)終端解碼解出控制信號(hào)再去控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
第二章 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)
第一節(jié) 數(shù)控云臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)
云臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)：
（1） 控制軸：兩旋轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)位控制，水平Z軸，垂直X軸;
（2） 行程：Z軸，0—350；X軸，－45 —45;
（3） 速度：Z軸350/s—700/s,X軸15/s－90/s
（4） 供電：AC220V或DC12V
（5） 負(fù)載：3kg
（6） 脈沖當(dāng)量：0.5度/脈沖
第二節(jié) 可行性論證及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
智能高速球云臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）普通云臺(tái)的監(jiān)視范圍有限，在云臺(tái)的正下方存在死點(diǎn)，而智能高速球云臺(tái)在水平方向上可以連續(xù)360度無(wú)級(jí)變速掃描，不存在任何死點(diǎn)。
（2）普通云臺(tái)多為勻速云臺(tái)，只能以10RAD/S左右的固定速度進(jìn)行掃描，無(wú)法應(yīng)付突發(fā)事件的發(fā)生。而智能高速球云臺(tái)可以在0.5度—125RAD/S的可變速搜索目標(biāo)。
（3）普通云臺(tái)過(guò)于暴露，往往給被監(jiān)視者以反感，且使人輕而易舉得發(fā)現(xiàn)當(dāng)前攝象機(jī)的位置；而智能高速球云臺(tái)采用的是球型液態(tài)金屬鍍膜單反防護(hù)罩，使人根本看不到里面的攝象機(jī)，它既隱藏了攝象機(jī)，又具有極好的裝飾效果，特別適合銀行、機(jī)場(chǎng)、商店、廣場(chǎng)等隱蔽性的監(jiān)視和跟蹤。
（4）普通云臺(tái)通常沒(méi)有預(yù)置攝象點(diǎn)的功能，而智能高速球云臺(tái)則可以有預(yù)置攝象點(diǎn)。
綜上所述，球型云臺(tái)比普通云臺(tái)更有使用價(jià)值！
第三章 云臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的提出
初步確定水平軸和垂直軸分別使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)源，并利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，以細(xì)分步進(jìn)電機(jī)的步距角。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸與齒輪的連接是用一對(duì)背靠背的角接觸球軸承，水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸是用滑動(dòng)軸承與支架連接。分別用水平支架和垂直支架支承攝象機(jī)。外部采用吊裝支承，外型仿效球型云臺(tái)的設(shè)計(jì)。
第二節(jié) 云臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論述
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件。其特點(diǎn)是輸入一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)是晶體管，開(kāi)關(guān)信號(hào)由數(shù)字集成電路或微機(jī)產(chǎn)生。通過(guò)前面的介紹可以看到，步進(jìn)電機(jī)是一種把開(kāi)關(guān)激勵(lì)的變化變換成為梢確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與能夠?qū)崿F(xiàn)類似功能的其他部件相比，使用步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)有下面幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 通常不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制。
(2) 位置誤差不會(huì)積累。
(3) 與數(shù)字設(shè)備兼容。
步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式)電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等四種主要型式。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)久耐用，所以是目前應(yīng)用最普及的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)按變磁阻原理工作，于是有的國(guó)家又稱之為變磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是；力矩—慣性比高；步進(jìn)頻率高，頻率響應(yīng)快；不通電時(shí)轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)；能雙向旋轉(zhuǎn)；有適量阻尼；正常電機(jī)無(wú)失步區(qū)。缺點(diǎn)是：不通電時(shí)無(wú)定位力矩；每步有振蕩和過(guò)沖。
永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：功耗較小，在斷電時(shí)仍有定位轉(zhuǎn)矩，但是步距角大，需供給正負(fù)脈沖電源，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。
混合式電機(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大，步距角小，運(yùn)行頻率高，功耗低及有自鎖功能，但需有正負(fù)電脈沖供電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。
比較以上各種電機(jī)，決定選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)攝象機(jī)的動(dòng)力源。
攝象機(jī)的脈沖當(dāng)量等于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角除以傳動(dòng)比，為使攝象機(jī)達(dá)到較小的脈沖當(dāng)量，利用齒輪減速機(jī)構(gòu)，細(xì)分步距角以達(dá)到目的，同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩。垂直軸上的一對(duì)軸承主要用于承受軸向力；水平軸采用滑動(dòng)軸承，可以減小徑向空間尺寸。
整個(gè)云臺(tái)采用吊裝球型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1） 最大限度地減少灰塵和外來(lái)的干擾，使云臺(tái)壽命大大延長(zhǎng)，也使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。
（2） 球型防護(hù)罩采用內(nèi)側(cè)單面鍍膜工藝，有利于隱蔽監(jiān)視。
（3） 防護(hù)罩表面進(jìn)行防靜電處理，可以防止灰塵吸附，日常維護(hù)簡(jiǎn)單
（4） 防護(hù)罩降低了云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。
第四章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)的選用主要考慮三個(gè)問(wèn)題：（1）步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；（2）滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號(hào)相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻特性。
一、 垂直X軸步進(jìn)電機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求：行程-45——45，最大速度90/s。
（1）本設(shè)計(jì)選用美國(guó)TATAL彩色DSP攝像機(jī)TTC-853。
其主要技術(shù)參數(shù)：電源 24VAC/12VDC 攝像元件 1/3”CCD
影像像素 NTSC 768（H）494（V）
PAL 752（H）582（V）
視頻輸出 1VP.P/75 ohms BNC
工作溫度 -10C TO 50C 重量 540g
外型尺寸 30（W）59（H）106（L）
（2）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩
M=M+M+M
其中：M為垂直方向上的轉(zhuǎn)矩； M為慣性轉(zhuǎn)矩； M為重力方向上的轉(zhuǎn)矩 ；M為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩
步進(jìn)電機(jī)的速度控制，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。
步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，對(duì)于點(diǎn)——位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定的要求。對(duì)于云臺(tái)在點(diǎn)——位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速—恒速—減速--（低恒速）--停止過(guò)程并要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。
本設(shè)計(jì)中，近似認(rèn)為地認(rèn)為升速規(guī)律按直線規(guī)律升速（實(shí)際上按指數(shù)規(guī)律升速），設(shè)定從靜止升到90/s用0.2s。
M=J
角加速度=（-）/=（/2-0）0.2=7.85 rad/s
考慮支架等附件的重量，取m=700g, L=110mm, H=80mm
攝像機(jī)及其框架在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J=m(L+H)/12=0.7(0.11+0.08)/12=10.7910kg.m
所以 M=J=10.79107.85=0.0085N.m
本設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)動(dòng)中心定于重心附近，即重心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)，
即M≈0 N.m
M難以計(jì)算，可將M乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到M，取修正系數(shù)為1.3
則 M=1.3 M=1.30.0085=0.011N.m
將負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到步進(jìn)電機(jī)的主軸上：
M= M/i=0.011/3=0.0037 N.m
根據(jù)M≤（0.3-0.5）M
其中： M：折算到電機(jī)軸上的力矩；
M：最大靜轉(zhuǎn)矩
即： M≥M/0.3=0.0037/0.3=0.0123 N.m
（3）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率
取脈沖當(dāng)量為： =0.5 /脈沖
最高運(yùn)行速度： n=90 /s
所以 f= n/=90/0.5=180 Hz
因此，從步進(jìn)電機(jī)步距角考慮，在X方向上選用36BF003反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
二、 水平Z軸步進(jìn)電機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求： 行程： 0-355； 最高速度： 2 r/s
（1） 、計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩
M=M+M
其中： M為水平方向上的轉(zhuǎn)矩
M為慣性轉(zhuǎn)矩；
M為摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩
同前述道理，設(shè)定攝像機(jī)從靜止升到最高速用0.2s
M=J
角加速度=（-）/=（4-0）/0.2=20 rad/s
將水平移動(dòng)部分看成為矩形實(shí)體，其中m=2.5kg，L=100mm，H=100mm
即水平移動(dòng)的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J=m(L+H)/12=2.5（0.1+0.1）/12=0.00417kg.m
所以 M=J=0.0041720=0.2617 N .m
M難以計(jì)算，可將M乘以一個(gè)修正系數(shù)后，得到M，由于采用的是滾動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)軸承，所以選修正為1.1
M=1.1 M=1.10.2619=0.288 N .m
折算到電機(jī)軸上 M= M/ i =0.288/3.75=0.0768 N .m
M≤（0.3-0.5）M
所以 M≥M/ 0.4 = 0.0768 / 0.4 = 0.192 N .m
（3）步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率
取脈沖當(dāng)量為： =0.5 /脈沖
最高運(yùn)行速度： n=720 /s
所以 f= n/=720 / 0.5=1440 Hz
綜上計(jì)算，并考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角，選用45BF006反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
第二節(jié) 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、 垂直X軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件： i= 3， n=15r/min，m=1mm,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
以下計(jì)算過(guò)程選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》：
選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)
1）、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
2）、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表10-1選大、小齒輪材料為45號(hào)鋼，經(jīng)常化處理，齒面硬度為162-217HBS
3）、選取精度等級(jí)：選7度等級(jí)（GB10095-88）
4）選小齒輪齒數(shù)z=18 ,大齒輪齒數(shù)z= zi=316=54.所以大、小齒輪分度圓直徑分別為d=m z=181=18mm, d=m z=541=54mm
1、 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為： =≤[] M Pa
m≥（） mm
計(jì)算載荷系數(shù)K ： K = KKKK （其中K為使用系數(shù)；K為動(dòng)載系數(shù)；K為齒間載荷分配系數(shù)；K為齒向載荷分布系數(shù)）
由表10-2查得K=1.00；
因?yàn)閚=0.25 r/s， 所以v=2nd/2=20.2518/2=14.13mm/s
而且屬于7級(jí)精度，由圖10-8查的K=1.02；
因?yàn)? F= 2T/d= 20.078/1810=8.7N，
所以KF/b = 1.008.7/0.518=0.97 N/mm ( 齒寬系數(shù) =0.5 )
由表10-3可查的K= K=1.0
由表10-4可查的K=1.26, 由圖10-13可查的K=1.2
所以 K = KKKK=1.001.021.01.2 = 1.224
計(jì)算齒形系數(shù)Y及應(yīng)力校正系數(shù)Y：
由表10-5可查的Y=2.91 ； Y=1.53
Y=2.32+（54-50）=2.344
Y=1.70+（54-50）=1.712
所以 ===4.25 MPa
===3.83MPa
而 []=MPa
計(jì)算應(yīng)力系數(shù) N=60njL=601531(2436020)=0.4710
N= N/3=0.4710/3=0.1610
由圖10-18可查的彎曲疲勞壽命系數(shù)K為：
K=0.88； K= 0.89
按硬度中間值189.5HBS，由圖10-20b可查的==310MPa
取安全系數(shù)S=1，所以 []==272.8 MPa
[]==275.9 MPa
取中最大值，即=4.25 MPa； 取[]中最小值，即[]=272.8 MPa
很明顯 ≤[] ，滿足要求
m≥（）≥=0.29 mm，滿足要求
2、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
=2.5Z≤[] MPa
d≥2.32× mm
大、小齒輪都是鍛鋼，由表10-6可查的材料的彈性影響系數(shù)為Z=188.9
載荷系數(shù) K = KKKK=1.001.021.01.26=1.2852
所以 =2.5×188.9×=0.12 MPa
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： []=
由于工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=0.4710，N=0.1610
所以由圖10-19，可得K=0.915； K=0.92 （不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕）
由硬度中間值189.5HBS，圖10-21c可得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為==380 MPa
取安全系數(shù)S=1，則[]==347.7 MPa
[]==349.6 MPa
取最小值即 []=347.7 MPa，很明顯=0.12 MPa≤[]=347.7 MPa，安全
d≥2.32×≥2.32×=4.62mm
因?yàn)閐=20mm，所以也滿足要求
因?yàn)榇怪盭軸的運(yùn)動(dòng)范圍是，所以該減速機(jī)構(gòu)中大齒輪定為齒扇結(jié)構(gòu)，角度為120
二、 水平Z軸減速齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
初步擬定已知條件： i= 3.75， n=2r/min，m=1mm,工作壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
1、選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)
1）、按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
2）、考慮該減速器傳動(dòng)功率不大，所以大、小齒輪都選用軟齒面，由表10-1選大、小齒輪材料為45號(hào)鋼，經(jīng)常化處理，齒面硬度為162-217HBS
3）、選取精度等級(jí)：選7度等級(jí)（GB10095-88）
4）選小齒輪齒數(shù)z=20 ,大齒輪齒數(shù)z= zi=3.7520=75.所以大、小齒輪分度圓直徑分別為d=m z=201=20mm, d=m z=751=75mm
2、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為： =≤[] M Pa
m≥（） mm
參照垂直X軸的計(jì)算方法，得載荷系數(shù)K=1.224
計(jì)算齒形系數(shù)Y及應(yīng)力校正系數(shù)Y：
由表10-5可查的Y=2.8 ； Y=1.55
Y=2.23 ； Y=1.775
F=2T/d=2×0.196/20×10=19.6N
所以 ===10.4MPa
===9.5 MPa
同理可得： []=272.8 MPa 取中最大值即=10.4MPa
很明顯 =10.4MPa≤[]=272.8 MPa 故安全
m≥（）≥（）=0.3 mm
滿足要求
3、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
=2.5Z≤[] MPa
d≥2.32× mm
同上 =2.5Z=2.5×188.9×
=0.19 MPa
由上計(jì)算得 []=347.7 MPa， 顯然=0.19 MPa≤[]=347.7 MPa
d≥2.32×≥2.32
≥1.32mm
綜上所述，該齒輪機(jī)構(gòu)滿足要求
三、 各齒輪參數(shù)
1、 垂直X軸齒輪參數(shù)
分度圓直徑： d=m z=181=18mm
d=m z=541=54mm
齒頂高： h= h= hm=1×1=1mm
齒根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) ×1=1.25mm
齒全高： h= h= h+ h=1.25+1=2.25mm
齒距： p==mm
齒厚： s=/2=0. 5mm
齒槽寬： e=/2=0. 5mm
頂隙： c= cm=0.25×1=0. 25mm
標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z+ z)/2=1×(18+54)/2=36mm
2、 水平Z軸齒輪參數(shù)
分度圓直徑： d=m z=201=20mm
d=m z=751=75mm
齒頂高： h= h= hm=1×1=1mm
齒根高： h= h=( h+ c)m=(1+0.25) ×1=1. 25mm
齒全高： h= h= h+ h=1.25+1=2. 25mm
齒距： p==mm
齒厚： s=/2=0. 5mm
齒槽寬： e=/2=0. 5mm
頂隙： c= cm=0.25×1=0. 25mm
標(biāo)準(zhǔn)中心距： a=m(z+ z)/2=1×(20+75)/2=47.5mm
（h：齒頂高系數(shù)，c：頂隙系數(shù)，其數(shù)值分別為：h=1，c=0.25）
第三節(jié) 軸的設(shè)計(jì)
一、 垂直X軸的設(shè)計(jì)
因?yàn)閄方向的軸同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩和彎曲作用，所以按彎扭組合強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算（材料為45號(hào)鋼，經(jīng)退火、淬火和回火處理）
強(qiáng)度條件為：=M/W=/W≤[]
（其中W為抗彎截面系數(shù)，[]為許用彎曲應(yīng)力）
W =/32=10×10/32=0.098×10 m
所選攝像質(zhì)量為m=540g，考慮其附加器件的質(zhì)量，設(shè)總量為m=700g
即F= mg=0.7×10=7N
在B處的彎矩M為：M=FL=7×0.02=0.14N.m
所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=0.078 N.m，折算到X軸上，T= T i =0.078×3=0.234 N.m
因此=/W=/0.098×10=2.51MPa
查表可得45號(hào)鋼的彎曲許用應(yīng)力為[]=100 MPa
很明顯=2.51MPa≤[]=100 MPa，滿足強(qiáng)度要求
垂直X軸左右兩邊各一條，而且作成階梯軸，均用螺釘和齒扇、攝像機(jī)連接在一起，起定位和傳遞轉(zhuǎn)矩作用。
二，水平Z軸的設(shè)計(jì)
由于水平Z軸有上下兩根，上軸只承受軸向拉力作用，故只須滿足抗拉強(qiáng)度要求，即 ≤[] （其中為正應(yīng)力；N為軸向力；A為軸的橫截面積）
設(shè)上軸承受質(zhì)量為3kg的器件，即N=mg=3×10=30N
由《材料力學(xué)》P33可查的45號(hào)鋼的抗彎強(qiáng)度極限為[]=598 MPa
因此 598≥30/A 得有效面積為A≥30/598=0.25mm
現(xiàn)從總體結(jié)構(gòu)上考慮，上軸軸徑最小處為16mm，內(nèi)開(kāi)一個(gè)10mm的內(nèi)孔，用以通視頻線、電源線等線路，其有效面積為：
S=（D-d）/4=3.14×(16-10)/4=122.46mm≥0.25mm， 顯然滿足要求
對(duì)于Z方向下軸，除承受軸向拉伸外，還有承受扭矩作用，應(yīng)分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。
設(shè)下軸承受質(zhì)量為2.5kg的器件，所以N=mg=2.5×10=25N
有效面積 A≥25/598=0.04 mm，從整體結(jié)構(gòu)考慮，下軸軸徑最小處為10mm，內(nèi)留一個(gè)8mm的孔，則有效面積為S=（D-d）/4=3.14×（10-8）/4=28.26mm,滿足要求
對(duì)于扭矩作用，其強(qiáng)度條件為：=/≤[]
（為軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，為抗扭截面系數(shù)，[]為許用剪切應(yīng)力）
因?yàn)門(mén)=0.196N.m，所以折算到軸上的扭矩為= T×i==0.196×3.75=0.735 N.m
=（1-）=[1-（）]=0.12×10m
所以 =/=0.735/0.12×10=6.15 MPa
查表可得45號(hào)鋼的許用剪切應(yīng)力為[]=60 MPa ， 很明顯≤[]，滿足強(qiáng)度要求
第四節(jié) 軸承的設(shè)計(jì)
一、垂直X軸軸承的選用
為使徑向尺寸較小和安裝方便，選用滑動(dòng)軸承，軸瓦材料為聚四氟乙烯（PTFE），該材料能抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有一定的自潤(rùn)滑性，可以在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作，在高溫條件下具有一定的潤(rùn)滑能力，具有包容異物的能力（嵌入性好），不易擦傷配偶表面，減磨性及耐磨性都比較好。
初選軸徑為d=10mm，軸瓦寬度B=10mm，攝像機(jī)及支架的重量約為0.7kg，即軸承所承受的徑向力2F=mg=0.7×10=7N，即F=3.5N
1、 驗(yàn)算軸承平均壓力p
p=F/(dB) ≤[p] MPa （[p]為軸瓦材料的許用應(yīng)力）
查表12-3，可得[p]=3 MPa
則 p=F/(dB)=3.5/（10×10×10×10）=0.035 MPa≤[p] =3 MPa
2、 驗(yàn)算軸承的pv值
軸承的發(fā)熱量與其單位面積上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系數(shù)），限制pv值就是限制軸承的溫升
pv=Fn/(19100B) ≤[pv] MPam/s
其中：v為軸頸的圓周速度，即滑動(dòng)速度（m/s）
[pv]為軸瓦材料的pv許用值（MPam/s）
因?yàn)閚=15r/min，查表12-3可得，[pv]=0.04 MPam/s
pv=Fn/(19100B)=3.5×15/19100×10=0.00027 MPam/s≤[pv]=0.04 MPam/s
3、驗(yàn)算軸承的滑動(dòng)速度V
V=≤[V] m/s （[V]為許用滑動(dòng)速度）
查表12-3，可得[V]=1.3m/s
V=3.14×10×15/60×1000=0.00785m/s≤[V]=1.3m/s
綜上計(jì)算所得，可知該滑動(dòng)軸承滿足要求
二、水平Z軸軸承的選用
根據(jù)水平Z軸下軸的軸徑和工作要求，選用一對(duì)型號(hào)為36203的角接觸球軸承（背靠背放置）。軸承與軸承套、軸都采用間隙配合，軸承內(nèi)圈用軸肩定位，上加墊圈和螺母夾緊。
已知條件：軸承軸向載荷A=25N，徑向載荷R=1N，軸承轉(zhuǎn)速n=120r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)沖擊，設(shè)計(jì)壽命為20年（每天工作24小時(shí)，一年工作360天）
1、 求比值
A/R=25/1=25
根據(jù)表13-5，角接觸球軸承的最大e值為1.14，即A/R＞e
2、 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P
P=f(XR+YA)
按照表13-6，f=1.0—1.2，取f=1.2
按照表13-5，X=0.44
查表可知該軸承的額定靜載荷C=5.38KN，所以A/ C=25/5380=0.0046
由表10-5可得Y=1.90
則P=1.2×（0.44×1+1.9×25）=57.53N
則所需的基本額定動(dòng)載荷C為
C=P（）=57.53×=618.76N （?。?
查表得該軸承的額定動(dòng)載荷為C=8.38KN
很明顯 C=618.76N≤C=8.38KN，滿足要求
使用壽命：L=10（C/P）/（60n）=10×（8380/57.53）/60×120=4.29×10h
設(shè)計(jì)使用壽命：L=24×360×20=1.296×10h 滿足要求
第五章 控制部分的設(shè)計(jì)
第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)要求
云臺(tái)控制器是用來(lái)通過(guò)串行通信口接收由PC機(jī)(或單片機(jī))或視頻切換器發(fā)送來(lái)的控制命令控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，照明燈開(kāi)關(guān)，攝像頭焦距、光圈、變倍，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)視目的的設(shè)備。
本控制系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)如下：
1）上位機(jī)(單片機(jī)或PC機(jī))實(shí)現(xiàn)多機(jī)集中控制，云臺(tái)控制器通過(guò)與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)、鏡頭等控制；
2）采用RS-485通信接口，可以滿足遠(yuǎn)距離控制的需要；串行通訊口采用電源隔離供電，并且與主機(jī)之間采用了光電隔離技術(shù)；
3）云臺(tái)動(dòng)作：產(chǎn)生上、下、左、右、自動(dòng)5種控制動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)勻速、變速控制；
4）云臺(tái)攝像頭控制：實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的變倍、焦距、光圈的大、小控制；
5）選用硬件WDT實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行監(jiān)視；
6）其他功能：燈光控制、防盜、狀態(tài)顯示、急停等。
第二節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
5.2.1 總體方案的確定
按照功能要求，確定系統(tǒng)方案如圖5-1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由微處理器
攝像鏡頭控制
RS-485串行
通信接口
微處理器
程序存儲(chǔ)器I/O擴(kuò)展與復(fù)位電路
云臺(tái)控制
圖5-1 控制器功能框圖
模塊、串行通信模塊、時(shí)鐘模塊、程序存儲(chǔ)器和I/O擴(kuò)展模塊以及鏡頭、云臺(tái)等控制模塊組成。在方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合程序容量與通信內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔至上的原則，
并行擴(kuò)展一片EPROM（16K）以及一片8155。這里，微處理器選用INTEL公司的8031，所有串、并行接口時(shí)序均通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)。
5.2.2 系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選用
5.2.2.1 微處理器（選用INTEL公司的8031CPU）
在方案中已確定使用MCS-51系列單片機(jī)8031。由INTEL公司生產(chǎn)的此型號(hào)單片機(jī)是一種低功率、高性能的8位CMOS微處理器芯片。片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器（ROM）及128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（EPROM），與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集與引腳分布相兼容。它的特點(diǎn)歸納如下：
l MCS-51系列中最典型的產(chǎn)品；
l 寬工件電壓范圍：Vcc=2.7 ~ 5.5V;
l 全靜態(tài)工作方式：0 ~ 24MHz;
l 256×8位內(nèi)部RAM；
l 32條編程I/O口線；
l 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；
l 5個(gè)中斷源；
l 可編程串行中斷；
l 低功耗的閑置與掉電模式。
5.2.2.2 可編程RAM/IO擴(kuò)展接口（8155）
8155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)RAM，2個(gè)8位和1 個(gè)6位的可編程并行I/O口，
1個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。8155可直接與MCS-51單片機(jī)聯(lián)接，不需要增加任何硬件邏
輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155后，就擴(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器，因而是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。
在8155的控制邏輯部件中，設(shè)置有一個(gè)控制命令寄存器和一個(gè)狀態(tài)寄存器。8155的工作方式由CPU寫(xiě)入控制命令寄存器中的控制字來(lái)確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐?xiě)入不能讀出，8位控制命令寄存器的低4位用來(lái)設(shè)置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用來(lái)確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時(shí)是否允許中斷請(qǐng)求。第6、7位用來(lái)設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的操作。
8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或先通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)線。其工作情況與8255方式0、方式1時(shí)大致相同，控制信號(hào)的含義也基本一樣。另外，在8155中還設(shè)有一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器，用來(lái)存放A口和B口的狀態(tài)標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫(xiě)入。
在8155中還設(shè)有一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用來(lái)定時(shí)或?qū)ν獠渴录?jì)數(shù)，CPU可通過(guò)程序選擇計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式。計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式由輸入給計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)控制字來(lái)確定。
5.2.3 看門(mén)狗電路（MAX813L）
MAX813L為51系列的專用電源的監(jiān)控電路，該電路具有上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)控功能。當(dāng)電源電壓降到一定值時(shí)，將會(huì)觸發(fā)PFI端，使PFO輸出低電平，單片機(jī)接收中斷后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，以保證在恢復(fù)電源后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。在程序初始化時(shí)應(yīng)注意對(duì)PCON寄存器（我們?cè)谶M(jìn)入掉電保護(hù)時(shí)，可對(duì)PCON進(jìn)行編程，以備上電復(fù)位時(shí)使用）進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定是初始復(fù)位（進(jìn)行必要的初始化），還是上電復(fù)位（斷電后恢復(fù)狀態(tài)），如果是上電復(fù)位應(yīng)進(jìn)行必須的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)以保障設(shè)備的正常運(yùn)行。
MAX813L的RST輸出是高電位復(fù)位輸出，他的看門(mén)狗控制時(shí)間為固定值，即1.6秒。應(yīng)在1.6秒的時(shí)間內(nèi)，對(duì)看門(mén)狗進(jìn)行刷新一次，否則就會(huì)引起看門(mén)狗的誤動(dòng)作。MAX813L專用看門(mén)狗電路是一種功耗很低的電源監(jiān)視器件，它的主要功能有3個(gè)：（1）復(fù)位；（2）電源電壓監(jiān)視；（3）看門(mén)狗定時(shí)器。其特性如下：
（1）加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度
（2）獨(dú)立的看門(mén)狗輸出，看門(mén)狗輸入為1.6s；
（3）1.25V門(mén)限值檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓或+5V以外的電源監(jiān)控內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖剑?
（4）低電平有效的手動(dòng)復(fù)位輸入；
（5）8引腳DIP封裝
程序正常運(yùn)行時(shí)，必須在小于1.6s的時(shí)間間隔內(nèi)向WDI輸入端發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，以清除芯片內(nèi)部的看門(mén)狗定時(shí)器；若超過(guò)1.6s該輸入端收不到脈沖信號(hào)，則內(nèi)部定時(shí)器溢出，8號(hào)引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?
為實(shí)現(xiàn)上述看門(mén)狗信號(hào)要求，在關(guān)鍵的延時(shí)子程序模塊的適當(dāng)?shù)胤郊尤肓恕拔构贰敝噶睿悦飧蓴_程序正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)指令為：
CLR P3.3
NOP
NOP
SETB P3.3
5.2.4 可靠性設(shè)計(jì)
5.2.4.1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)的一般思想
眾所周知，一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否正常工作是由很多因素決定的，其外因?yàn)楦黝惛蓴_，其內(nèi)因?yàn)樵撓到y(tǒng)本身的素質(zhì)。在本節(jié)中，將著重討論系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)的方法。共分為2個(gè)方面，一方面是系統(tǒng)是系統(tǒng)的自檢設(shè)計(jì)，另一方面是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。
為了使單片機(jī)系統(tǒng)故障能及時(shí)自行診斷出來(lái)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路時(shí)，必須通盤(pán)考慮。診斷過(guò)程是“檢查-----思考-----判斷”的過(guò)程；因此一個(gè)系統(tǒng)的硬件容錯(cuò)能力在很大程度上是先天的，系統(tǒng)定型后，硬件容錯(cuò)的極限也就定下來(lái)了。例如在沒(méi)有任何附加檢測(cè)電路的系統(tǒng)中，CPU本身就無(wú)從知道其各種外圍電路工作是否正常。
5.2.4.2系統(tǒng)的自診斷設(shè)計(jì)
1. 硬件自診斷的常用方法
自診斷又稱為“自檢”，通過(guò)自檢功能了解系統(tǒng)的狀況。自檢一般有以下幾種方法：
（1） 上電自檢
系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)行，自檢中如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則轉(zhuǎn)入系統(tǒng)的正常運(yùn)行；如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則及時(shí)報(bào)警，避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行。
（2） 定時(shí)自檢
由系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)啟動(dòng)自檢功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行周期性在線檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的故障。
（3） 鍵控自檢
通過(guò)某一鍵盤(pán)操作啟動(dòng)一次自檢過(guò)程，以便操作者消除對(duì)系統(tǒng)的疑惑，或發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障。
本解碼器主要運(yùn)用了上電自檢的自檢方法。
5.2.4.3自診斷的軟件實(shí)現(xiàn)
由于沒(méi)有附加任何檢測(cè)電路，因此本解碼器只簡(jiǎn)單地進(jìn)行CPU, ROM, RAM的自檢。
1． CPU 的診斷
CPU是微機(jī)系統(tǒng)的核心，如果CPU出了問(wèn)題，可想而知，系統(tǒng)是肯定無(wú)法正常工作的。
CPU的診斷項(xiàng)目有：指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、定時(shí)器中斷系統(tǒng)、I/O口等。由于沒(méi)有檢測(cè)電路，因此，本解碼器實(shí)際只進(jìn)行了前4項(xiàng)的診斷工作。
2． ROM的診斷
一般情況下，EPROM的工作應(yīng)該是穩(wěn)定正常的；但由于生產(chǎn)廠家不同，元件工藝的離散性，EPROM使用一段時(shí)間后難免出錯(cuò)，從而使系統(tǒng)不能正常工作，而且由于EPROM中的信息丟失、出錯(cuò)一般是零星發(fā)生的，更有必要主動(dòng)檢測(cè)。ROM的自檢常采用“檢驗(yàn)和”的方法。
5.2.4.4系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)
在一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)中，干擾的因素有多種。干擾既可以從線路侵入系統(tǒng)，也可以以場(chǎng)形式從空間侵入系統(tǒng)。例如系統(tǒng)的接地不良、附近有電火花激發(fā)的電磁輻射、電網(wǎng)的污染等。任何一種干擾都有可能使系統(tǒng)工作失常，尤其是在比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，這種可能性就更大；因此一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)不能忽視這種干擾的存在，必須采取一定的抗干擾措施。
從成本考慮，本解碼器從硬件、軟件2方面采取了以下一些抗干擾措施。
1. 硬件抗干擾措施
首先，加大電源的濾波電容。用音響界的話來(lái)說(shuō)，這好比一個(gè)“水塘”，這個(gè)“水塘”越大，系統(tǒng)抗干擾的能力也相應(yīng)越強(qiáng)了。
其次，在關(guān)鍵元件中串入無(wú)感瓷片電容、云母電容或CBB電容，這在很大程度上削弱了高頻干擾。
再者，對(duì)接地和地線的正確處理也十分關(guān)鍵，盡可能加粗地線。
另外，采用金屬外殼也可使系統(tǒng)在一定程度上屏蔽掉一些雜散的場(chǎng)干擾。
2. 軟件抗干擾措施
一個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能除了可以從硬件上著手外，在軟件上也可大有作為。
在本解碼器的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用了軟件陷阱技術(shù)，即：
（1）在程序區(qū)的斷層（即不使用的區(qū)域），以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常的運(yùn)行軌道。
（2）設(shè)置軟件陷阱。就是用一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址。為增強(qiáng)捕獲效果，在它前面還加了2條NOP指令；因此軟件陷阱實(shí)際由下列3條指令構(gòu)成：
NOP
NOP
LJMP 0030H
5.2.5系統(tǒng)主要接口功能說(shuō)明
系統(tǒng)主要端口
主 要 功 能
備 注
8031
P0.0~P0.7
數(shù)據(jù)總線
P1.0~P1.5
解碼器地址設(shè)置
P1.6
解碼器狀態(tài)指示燈
亮為正常
P3.3~P3.7
報(bào)警端口
P2.0~P2.5
系統(tǒng)擴(kuò)展的高6位地址
擴(kuò)展16K EPROM
P2.6
控制8155的IO/M口
P2.7
8155的片選信號(hào)
P3.0~P3.2
P3.0、P3.1分別為串行通信接收/發(fā)送端，P3.2為SN75176使能端
P3.2與SN75176通過(guò)光電隔離提高抗干擾能力
P3.3
看門(mén)狗MAX813L輸入端
用光電隔離增強(qiáng)抗干擾能力
RESET
微處理器復(fù)位端
限位開(kāi)關(guān)輸入與看門(mén)狗輸入相或后送入復(fù)位端
8155
PA0 ~PA5
鏡頭控制
PA6
電源開(kāi)關(guān)控制
PA7
燈光控制
PB0~PB5
步進(jìn)電機(jī)上、下、左、右控制
PB0: Z軸A相
PB1: Z軸B相
PB2: Z軸C相
PB3: X軸A相
PB4: X軸B相
PB5: X軸C相
第三節(jié) 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序如下：
0x0000 020030 LJMP START ;上電轉(zhuǎn)向主程序
ORG 0023H
0x0003 00 NOP
0x0004 00 NOP
0x0005 00 NOP
0x0006 00 NOP
0x0007 00 NOP
0x0008 00 NOP
0x0009 00 NOP
0x000A 00 NOP
0x000B 00 NOP
0x000C 00 NOP
0x000D 00 NOP
0x000E 00 NOP
0x000F 00 NOP
0x0010 00 NOP
0x0011 00 NOP
0x0012 00 NOP
0x0013 00 NOP
0x0014 00 NOP
0x0015 00 NOP
0x0016 00 NOP
0x0017 00 NOP
0x0018 00 NOP
0x0019 00 NOP
0x001A 00 NOP
0x001B 00 NOP
0x001C 00 NOP
0x001D 00 NOP
0x001E 00 NOP
0x001F 00 NOP
0x0020 00 NOP
0x0021 00 NOP
0x0022 00 NOP
0x0023 0202A2 LJMP CXTX ;串行接收/發(fā)送中斷
ORG 0030H ;主程序入口
0x0026 00 NOP
0x0027 00 NOP
0x0028 00 NOP
0x0029 00 NOP
0x002A 00 NOP
0x002B 00 NOP
0x002C 00 NOP
0x002D 00 NOP
0x002E 00 NOP
0x002F 00 NOP
0x0030 758160 START: MOV SP,#60H ;堆棧指針設(shè)為60H
0x0033 7