车载照明摄像一体化云台设计【含CAD图纸源文件】
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XX大学
毕业设计（论文）
题目 车载照明摄像一体化云台设计
学 号
学 生
指 导 教 师
起 止 日 期
摘 要
随着机械制造技术的进步和生产的发展，数控技术得到广泛的应用。极大地提高了产品的质量。本次毕业设计是设计车载图像监控系统中的前端设备——数控云台，此设计根据数控云台的工作环境、机械指标、设计参数和主要技术要求，采用户外智能球型云台。
科学的结构设计是数控云台性能的重要指标,包括电机的选用及内部结构设计。电机是云台球机关键部件,一般来讲，针对目前国内外电机技术衡量电机优良的主要指标是其可靠性。球型外壳能减少灰尘及各种干扰，日常维护方便，可达到准确监视的目的，云台在水平方向可连续350无级变速扫描，并设有设置摄像点的功能。本设计介绍了数控云台的传动原理、结构特点和功能，并对步进电机的特点作了简单的介绍。同时本设计还对数控云台的系统数控部分进行了设计，包括系统中关键器件的选用、可靠性设计和软件设计。
本设计主要参照江西科学技术出版社所编写的《中国机械设计大典》的标准，按照标准化、通用化、原则进行设计。
关键词：数控技术 数控云台 步进电机
Abstract
With the development of mechanical manufacturing technology and production, the CNC technology widely used. Greatly improve the quality of the products. This graduation design is the front end -- NC platform equipment design of on-board image monitoring system, this design according to the requirements of NC workingconditions, mechanical index, design parameters and main technical, using outdoor intelligent ball yuntai.
Structural design is a scientific numerical control sputnik important performance indicators, including the selection and design of the internal structure of motor. The motor is the key component of cloud billiards machine, generally speaking, the current domestic and foreign motor technology main index to judge the reliability of the motor is good. Spherical shell can reduce dust and all kinds of interference, convenient maintenance, can achieve accurate monitoring purposes, head in the horizontal direction can be 350 consecutive stepless speed change scanning, and a set of point features. This design introduced the transmission principle, structure characteristic and function of numerical control platform, and features of the stepper motor is briefly introduced. At the same time the design system of NC part of NC platform was designed, including the design of reliability design and software selection, the key device in the system.
The design of the main reference to the Jiangxi science and technology press the "China Mechanical Design Canon" standard, according to standardization, generalization, design principles.
Keywords: CNC CNC platform stepper motor
目 录
1.1 概述 ……………………………………...………………………………………….1
1.2 数控云台的工作原理和特点...……………………………………………………….1
1.2.1 数控云台的工作原理 ….…………………………………………………………..2
1.2.2 智能高速云台的优点 ….…………………………………………………………..2
2设计方案的确立…………………………………………………………………………2
2.1 数控云台的技术指标…………………………………………………...…………….2
2.2 数控云台的设计方案……………………………………………...………………….2
2.2.1 数控云台设计方案的提出………………………………………………...………..2
2.2.2 数控云台设计方案的论述…………………………………………...……………..3
3机械部分设计……………………………………………………………………………4
3.1 脉冲当量和个传动比的确定…………………………………………...…………….4
3.2 步进电机的选用……………………………………………………...……………….4
3.2.1 传动系统等效转动惯量的计算…………………………...………………………..4
3.2.2 负载转矩的计算……………………………………………………………...……..5
3.2.3 步进电机的选用………………………………………...…………………………..6
3.3 Z方向齿轮减速机构传动系统设计……………………………....…………………..6
3.3.1 选定齿轮的类型、精度、材料、齿数…………………...………………………..6
3.3.2 按齿面接触强度计算…………………………………...…………………………..6
3.3.3 按齿根弯曲强度计算……………………………………...………………………..8
3.3.4 几何尺寸计算………………………………………………...……………………..9
3.3.5 验算……………………………………………………………...…………………..9
3.4 X方向齿轮减速机构传动系统设计………………………………………………….9
3.4.1 选定齿轮的类型、精度、材料、齿数…………………...………………………..9
3.4.2 按齿面接触强度计算……………………………...………………………………..9
3.4.3 按齿根弯曲强度计算……………………………………………...………………..9
3.4.4 几何尺寸计算……………………………………..………………………………..11
3.4.5 验算…………………………………………………..……………………………..11
3.5 轴的设计………………………..…………………………………………………….12
3.5.1 Z方向轴的设计…………………………………………..…………………………12
3.5.2 X方向轴的设计………………………..……………………………………………13
3.6 轴承的选用………………………….………………………………………………..14
3.6.1 Z方向轴承的选用………………………….……………....……………………….14
3.6.2 X方向轴承的选用……………………………………………...…………..………14
4 系统控制部分设计……………………….…………………………………………….15
4.1 控制系统的功能与设计要求………………..…...…………………………………..15
4.2 总体方案的设计……………………...……………………………..………………..16
4.3 系统中关键器件的选用………………………….........……………………………..16
4.3.1 微处理器………………………...…………………………..……………………...16
4.3.2 看门狗电路…………………………………...…………..………………………...16
4.4 可靠性设计……………………………………...………..…………………………..17
4.4.1 容错设计的一般思想………………………………..………...…………………...17
4.4.2 系统的自诊断设计…………………………………..…...………………………...17
4.4.3 自诊断的软件实现…………………………………….........……………………...18
4.4.4 系统的抗干扰设计………………………………….........………………………...18
4.5 软件设计………………………………...…………………..………………………..22
总 结……………………………...……………………………………………………...28
参考文献……………………………...…………………………………………………...29
致 谢……………………………...…………………………………………………...29
1 前言
1.1 概述
云台是承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置。云台内装两个电动机。这两个电机一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。水平转动的角度一般350。，垂直转动则有土45°，土35°土75°等等。水平及垂直转动的角度大小可通过步进电机进行调整。
云台的分类大致分为室内用云台及室外用云台。室内用云台承重小，没有防雨装置。室外用云台承重大，有防雨装置。有些高档的室外云台除有防雨装置外，还有防冻加温装置。为适应安装不同的摄像机及防护罩，云台的承重应是不同的。因而应根据选用的摄像机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台。室内云台的承重量较小，云台的体积和自重也较小。室外用云台因为肯定要在它的上面安装带有防护罩(往往还是全天候防护罩)的摄像机，所以承重量都较大。它的体积和自重也较大。
目前出厂的室内云台承重量大约1.5KG—7KG左右。室外用云台承重量大约7KG—50KG左右。还有些云台是微型云台，比如与摄像机一起安装在半球型防护罩内或全天候防护罩内的云台。
一般的云台均属于有线控制的数控云台。云台的转动是通过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再又解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。
还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动”端后，云台将带动摄像机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。
在电源供电电压方面，目前常见的有交流24V和220V两种。云台的耗电功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流6V供电的室内用的小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。该设计用于铁路限界、隧道成像系统，对电气化铁路接触网进行视屏监控；整体设计要求体积小、重量轻，自动化程度高。
1.2 数控云台的工作原理与特点
1.2.1 数控云台的工作原理
数控云台的旋转不能在现场通过手动调整，而只能是在控制室内通过操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的低速大转矩电动机上或者通过通信电缆控制远端的解码器，再有解码器经局部多芯电缆将控制电压加到云台的低速大转矩电机上，从而使云台的台面在空间任意方向上旋转。摄像机配上云台，实际等效于增加了摄像机的空间可视范围。
全方位数控云台内部有两个驱动电机。水平方向上有一个能紧急起动和立即停止的慢速大转矩驱动电机，通过齿轮传动，可带动台面在水平方向做正反向旋转，且不会出现慢性滑动。垂直方向上的驱动电机，该电机可以带动摄像机座板在垂直方向±60°范围做俯仰运动。
1.2.2 智能高速球云台的优点
⑴ 普通云台的监视范围有限，在云台的正下方存在死点，而智能高速球形云台在水平方向上可以连续360度无级变速扫描，不存在任何死点；
⑵ 普通云台多为匀速云台，只能以10转/秒左右的固定速度进行扫描，无法应付突发事件的发生。而智能高速球云台可以在0.5度—125转/秒的可变速搜索目标；
⑶ 普通云台通常没有预置摄像点的功能，而智能高速球云台则可以有预置摄像点。
综上所述，球型云台比普通云台更有使用价值。
2 设计方案的确立
2.1 数控云台的技术指标
⑴ 数控云台的设计参数和技术指标
⑵ 水平转角：0°~350°俯仰转角：-45°~+45;
⑶ 载荷最大重量1000g；
⑷ 脉冲当量0.5°/脉冲；
⑸ 最大转速，水平Z轴60rad/min，俯仰X轴30rad/min;
⑹ 串行总线命令控制；
⑺ 数控装置采用单片机控制系统；
⑻ 室内工作环境，温度小于70度；
⑼ 工作电压AC220V，消耗功率小于300W；
2.2 数控云台总体设计方案
2.2.1 数控云台设计方案的提出
初步确定水平轴和垂直轴分别使用反应式步进电机作驱动源，并利用齿轮减速机构，以细分步进电机的步距角。垂直转动轴与齿轮的连接是用一对背靠背的角接触球轴承，水平转动轴是用滑动轴承与支架连接。分别用水平支架和垂直支架支承摄像机。外部采用吊装支承，外型仿效球型云台的设计。
2.2.2 云台设计方案的论述
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种把脉冲信号换成直线位移或角位移的执行元件。其特点是输入一个脉冲就转动一步，即转子转过一个相应的步距角。实际上，驱动步进电机的开关是晶体管，开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到，步进电机是一种把开关激励的变化变换成为准的转子位置增量运动的执行机构。与能够实现类似功能的其他部件相比，使用步进电机的控制系统有下面几个明显的优点：
⑴ 可以开环控制也可以闭环控制。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便地控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。闭环控制可以控制精确的位置和平稳的转速。本设计的控制系统即为开环控制；
⑵ 转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及其波形的影响；
输启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并且具有定位转矩；
⑶ 输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。
步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式：
反应式步进电动机由于其结构简单和经久耐用，所以是目前应用最普及的一种步进电动机。这种电动机按变磁阻原理工作，于是有的国家又称之为变磁阻步进电动机。其优点是：力矩—惯性比高；步进频率高，频率响应快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单、寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电机无失步区。缺点是：不通电时无定位力矩；每步有振荡和过冲。
永磁式步进电动机特点：功耗较小，在断电时仍有定位转矩，但是步距角大，需供给正负脉冲电源，启动和运行频率较低。
混合式电机特点：转矩大，步距角小，运行频率高，功耗低及有自锁功能，但需有正负电脉冲供电，结构复杂，价格高。
比较以上各种电机，决定选择反应式步进电机作为驱动摄像机的动力源。
摄像机的脉冲当量等于步进电动机的步距角除以传动比，为使摄像机达到较小的脉冲当量，利用齿轮减速机构，细分步距角以达到目的，同时降低驱动齿轮的转速，提高转矩。垂直轴上的一对轴承主要用于承受轴向力；水平轴采用滑动轴承，可以减小径向空间尺寸。
整个云台采用吊装球型设计，其优点如下：
⑴ 最大限度地减少灰尘和外来的干扰，使云台寿命大大延长，也使系统的可靠性进一步提高；
⑵ 球型防护罩采用内侧单面镀膜工艺，有利于隐蔽监视；
⑶ 防护罩表面进行防静电处理，可以防止灰尘吸附，日常维护简单；
⑷ 防护罩降低了云台的转动噪音。
3 机械部分的设计
3.1 脉冲当量和各传动比的确定
⑴ 确定脉冲当量为0.5°/脉冲；
⑵ 设机械系统Z方向的传动比i=3,小齿轮的齿数z1=18,大齿轮齿数z2=54，模数=1； X方向的传动比i=3,小齿轮的齿数z3=18,大齿轮的齿数z4=54。
⑶ 已知受电弓滑条长度为4m，检测车运行速度为72Km/h,则接触网在受电弓上滑行速度为20m/s。根据正三角形安装方式（受电弓滑条长度与云台安装位置为边长为滑条长度的正三角形）得出云台转速为1.2r/s，故取1r/s即60r/min。
⑷ 已知图像数据处理频率为2Hz，即完全监控受电弓周期为0.5s。已知监控角度为60·，则完全监控时间为1/6s。所以，取传动比i=3，完全监控所用时间为0.2s。
3.2 步进电机的选用
步进电机的选用主要考虑三个问题：（1）步距角要满足系统脉冲当量的要求；（2）满足最大静转矩的要求；（3）启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相对应的启动矩频特性和工作矩频特性。
3.2.1 传动系统等效转动惯量
对于钢制轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体对自身回转轴的转动惯量J计算公式为（见[2]）：
（式3-1）
式中：D为圆柱体的直径（mm）;
L为圆柱体的长度（mm）。
传动件折算到步进电机轴上的转动惯量JR计算公式为（见[3]）：
（式3-2）
式中：i为电机轴到传动件的传动比，i=3。
⑴ 现先计算各传动件自身转动惯量：
齿轮z1、z3：
齿轮z2、z4：
⑵ 计算各传动件折算到步进电机轴上的转动惯量：
齿轮z1、z3：
齿轮z2、z4：
⑶ 各传动件折算到步进电机轴上的总的转动惯量：
Z方向：
X方向：
⑷ 步进电机轴上的总转动惯量J：
（式3-3）
与JR比较可JD为步进电机的转动惯量，该设计可能使用的步进电机的转动惯量JD小于0.001，可以忽略，故：
Z方向：
X方向：
3.2.2 负载转矩的计算
本设计中，近似地认为升速规律按直线规律升速（实际上是按指数规律升速），假定从静止升到180°/s需时0.2s 。
⑴ 角加速度计算（见[4]）
（式3-4）
水平转速为60rad/min，即360°/s；垂直转速为30rad/min，即180°/s，故：
⑵ 惯性力转矩计算（见[2]）
（式3-5）
Z方向：
X方向：
⑶ 重力转矩计算（见[2]）
Z方向电机的重力不产生转矩，故：
垂直X轴方向由于摄像机重540g，考虑支架附件的重量，取m=700g,偏心距e=10mm，故：
⑷ 传动效率计算
由于摩擦阻力不考虑，其他环节的摩擦按传动件传动效率考虑，取，故：
⑸ 负载转矩计算（见[2]）
Z方向：
X方向：
3.2.3 步进电机的选用
运动部件正常运行时所需的最大静转矩（见[3]）为：
（式3-6）
要求步进电机正常运行时所需最大静转矩
（式3-7）
⑴ Z方向步进电机的选用
由于脉冲当量°/脉冲，水平方向的最高运行速度°/s，所以步进电机最高运行频率。
综上计算，并考虑步进电机的步距角，选用45BF003Ⅱ反应式步进电机。
⑵ X方向步进电机的选用
由于脉冲当量°/脉冲，水平方向的最高运行速度°/s，所以步进电机最高运行频率。
综上计算，并考虑步进电机的步距角，选用36BF003反应式步进电机。
3.3 Z方向齿轮减速机构传动系统设计
初步拟定已知条件为：传动比i=3，n2max=60r/min,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）（见[4]）。
3.3.1 选定齿轮类型、精度、材料、齿数
⑴ 按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动；
⑵ 由于该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面齿论。选大、小齿轮材料为45号钢，经调质处理，齿面硬度为217-255HBS；
⑶ 选取精度等级为7级（GB10095-88）；
⑷ 选取小齿轮齿数,大齿轮齿数。
3.3.2 按齿面接触强度计算
（式3-8）
由设计公式(式3-8)进行试算。
⑴ 确定公式内各计算数值
① 选载荷系数；
② 确定小齿轮传递转矩，即电机45BF003Ⅱ的最大静转矩为
③ 选取齿宽系数；
④ 查得材料的弹性影响系数；
⑤ 按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限；
⑥ 计算应力循环次数
（式3-9）
⑦ 根据应力循环次数查得接触疲劳寿命系数为：
； 。
⑧ 计算接触疲劳许用应力：
(式3-10)
取失效概率为1%，安全系数s=1。
⑵ 计算
① 试算小齿轮分度圆直径,代如中较小的值，根据（式3-8）
② 计算圆周速度
（m/s） (式3-11)
（m/s）
③ 计算齿宽b
（mm） （式3-12）
（mm）
④ 计算齿宽与齿高比b/h
模数 ：
（mm）
齿高：
（mm）
⑤ 计算载荷系数
（式3-13）
根据，7级精度，查得动载荷系数。
由于所设计的齿轮为直齿轮，假设，查得7级精度未经表面硬化齿轮。
查得使用系数为，均匀平稳状态时。
查得7级精度，小齿轮悬臂布置时
由，查得。
故，载荷系数
⑥ 按实际载荷系数校正做得分度圆直径
（mm） （式3-14）
（mm）
⑦ 计算模数
（mm）
3.3.3 按齿根弯曲强度设计
弯曲强度设计公式为：
（式3-15）
⑴ 确定公式内各计算数值
① 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮；
② 查得弯曲寿命系数，；
③ 计算弯曲疲劳许用应力
（式3-16）
取弯曲疲劳安全系数s=1.4
④ 计算动载荷系数K
（式3-17）
⑤ 查取齿形系数
时，；
时，；
⑥ 计算大、齿轮的并加以比较
取小值。
⑵ 设计计算
根据（式3-14）得：
（mm）
对比计算结果，可由齿面接触疲劳强度，取模数为标准值。按接触疲劳强度算出：
分度圆直径：
（mm）
小齿轮齿数：
，取。
大齿轮齿数：
3.3.4 几何尺寸计算
⑴ 计算分度圆直径
（mm）
（mm）
⑵ 计算中心距
（mm）
⑶ 计算齿轮宽度
（mm）
取；。
3.3.5验算
N
。
3.4 X方向齿轮减速机构传动系统设计
初步拟定已知条件为：传动比i=3，n4max=30r/min,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）
3.4.1 选定齿轮类型、精度、材料、齿数
⑴ 按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动;
⑵ 由于该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面齿论。选大、小齿轮材料为45号钢，经调质处理，齿面硬度为217-255HBS;
⑶ 选取精度等级为7级（GB10095-88）;
⑷ 选取小齿轮齿数,大齿轮齿数。
3.4.2 按齿面接触强度计算
根据（式3-8）设计进行试算。
⑴ 确定公式内各计算数值
① 载荷系数；
② 确定小齿轮传递转矩，由于所选电机36BF003的最大静转矩为
③ 取齿宽系数;
④ 查得材料的弹性影响系数
⑤ 查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限
⑥ 计算应力循环次数 （见式3-9）
⑦ 根据应力循环次数查得接触疲劳寿命系数为：
； 。
⑧ 计算接触疲劳许用应力 (见式3-10)
取失效概率为1%，安全系数s=1。
⑵ 计算
① 试算小齿轮分度圆直径（见式3-8）,代入中较小的值
② 计算圆周速度V （见式3-11）
（m/s）
③ 计算齿宽b （见式3-12）
（mm）
④ 计算齿宽与齿高比b/h
模数
（mm）
齿高
（mm）
⑤ 计算载荷系数 （见式3-13）
根据，7级精度，查得动载荷系数；
由于所设计的齿轮为直齿轮，假设，查得7级精度未经表面硬化齿轮；
查得使用系数为，均匀平稳状态；
查得7级精度，小齿轮悬臂布置时；
由，查得故，载荷系数为：
⑥ 按实际载荷系数校正做得分度圆直径 （见式3-14 ）
（mm）
⑦ 计算模数
（mm）
3.4.3 按齿根弯曲强度设计
根据（式3-15）进行弯曲强度试算。
⑴ 确定公式内各计算数值
① 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮；
② 查得弯曲寿命系数，；
③ 计算弯曲疲劳许用应力 （见式3-16）
取弯曲疲劳安全系数s=1.4
④ 计算动载荷系数K （见式3-17）
⑤ 查取齿形系数
时，；
时，；
⑥ 计算大、齿轮的并加以比较
取小值。
⑵ 设计计算 （见式3-15）
（mm）
对比计算结果，可由齿面接触疲劳强度，取模数为标准值。按接触疲劳强度算出：
分度圆直径
（mm）
小齿轮齿数
，取。
大齿轮齿数
3.4.4 几何尺寸计算
⑴ 计算分度圆直径
（mm）
（mm）
⑵ 计算中心距
（mm）
⑶ 计算齿轮宽度
（mm）
取；。
3.4.5 验算：
N
。
注：考虑云台垂直运动是-45°～+45°，取齿扇为122°。
3.5 轴的设计
轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度，刚度和振动稳定性的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需要对轴进行强度计算，以防止断裂和塑性变形。
轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性低同时也可以用热处理或化学处理方法提高其耐磨性和抗疲劳强度。故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常采用45号钢。
3.5.1 Z方向轴的设计
由于控制摄像机水平转动的Z轴有上下两根轴，上轴只承受轴向拉力作用，故只须满足抗拉强度要求；Z方向下轴，既承受轴向拉伸作用，又承受扭矩作用，应该分别进行强度校核。⑴ Z方向上轴的设计
根据拉伸强度条件公式试算（见[2]）：
（式3-18）
其中：为正应力；
F为轴向力；
A为轴的横截面面积。
设上轴承受质量为1㎏的器件，即：
（N）
查得45号钢的抗弯强度极限为，根据（式3-17）得：
假设上轴轴径最小处为16㎜，内开一个的内孔，用以同视频线、电源线等线路，其有效面积为：
满足设计要求。
⑵ Z方向下轴的设计
① 抗拉强度校核
设下轴承受质量m=0.8㎏的器件，所以，根（式3-18）得：
假设下轴轴径最小处为8㎜，内留一个的孔，则有效面积为：
满足设计要求。
② 抗扭强度校核
抗扭强度条件为（见[2]）：
（式3-19）
其中：为轴承受的最大转矩；
为抗扭截面系数；
为许用剪切应力。
水平电机，折算到轴上的扭矩为：
（）
抗扭截面系数为：
则：
查得45号钢的许用剪切应力为，，满足强度要求。
3.5.2 X方向轴的设计
材料为45号钢，经正火，淬火和回火热处理。
由于X方向的轴同时承受转矩和弯曲作用，所以要按弯扭组合强度条件进行计算。
由第四强度理论强度条件（见[2]）：
（式3-20）
初步确定轴的最小直径为：
抗弯截面系数：
⑴ 确定轴承受的最大弯矩
由于所选摄像机质量，考虑其附加器件的质量，设总质量，即。
设最大弯曲变形发生在轴上离支承处20㎜处，即：
⑵ 确定轴上承受的最大扭矩
所选电机36BF003Ⅱ的转矩，折算到X轴上：
按（式3-20）计算
由于正火，回火处理的45号钢的许用弯曲应力，即，满足强度要求。
3.6 轴承的选用
3.6.1 Z方向轴承的选用
⑴ 轴承型号的确定
根据Z方向下轴的轴径和工作要求，选用一对型号为7001AC的角接触球轴承。轴承与轴承套、轴之间采用过渡配合。轴承内圈用轴肩定位，外圈用弹簧卡还定位，加垫圈和螺母夹紧。
⑵ 轴承的校核
考虑到摄像机支架等的影响，假设轴承轴向载荷，径向载荷。已知轴承的转速为，运转时无冲击，设计寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）。
① 由滚动轴承样本查得7001AC型轴承背靠背成对安装在一个支点时，当量动载荷可按下式计算（见[2]）：
时， （式3-21）
时， （式3-22）
② 因，且工作平稳，取载荷系数，则：
③ 计算预期寿命
④ 求该对轴承应具有的基本额定动载荷值
（N） （式3-23）
查[5]得单个7001AC轴承的基本额定动载荷为5.20KN，故选用一对7001AC轴承合适。
3.6.2 X方向轴承的选用
⑴ 轴承的确定
为了使径向尺寸较小和安装方便，选用滑动轴承。轴瓦材料为聚四氟乙烯，该材料能抗强酸强碱，具有一定的自润滑性，可以在无润滑条件下工作。在高温条件下具有一定的润滑能力，具有包容异物的能力（嵌入性好），不易擦伤配偶表面。减摩性及耐磨性比较好。
⑵ 轴承的验算
初选轴径，轴承宽度。考虑摄像机及支架重量约为700g，即轴承所承受的径向力。
① 验算轴承的平均压力p
（式3-24）
式中：B为轴承宽度（mm）；
。
查得聚四氟乙烯的，即
② 验算轴承的pv值
轴承的发热量与单位面积上的摩擦功耗成正比（是摩擦系数）。
（式3-25）
式中：v为轴颈圆周速度，即滑动速度m/s；
为轴承材料的pv许用值。
由于本设计
查得聚四氟乙烯的，即。
③ 验算滑动速度v
（式3-27）
式中：为许用滑动速度。
查得聚四氟乙烯的，即：
综上验算，滑动轴承适用。
4 系统控制部分的设计
4.1 控制系统的功能与设计要求
云台控制器是用来通过串行通信口接收由PC机(或单片机)或视频切换器发送来的控制命令控制云台运动方向，照明灯开关，摄像头焦距、光圈、变倍，从而达到对现场情况实时监视目的的设备。
本控制系统的功能与特点如下：
⑴ 上位机(单片机或PC机)实现多机集中控制，云台控制器通过与上位机通信实现对云台、镜头等控制；
⑵ 采用RS-485通信接口，可以满足远距离控制的需要；串行通讯口采用电源隔离供电，并且与主机之间采用了光电隔离技术；
⑶ 云台动作：产生上、下、左、右、自动5种控制动作并实现匀速、变速控制；
⑷ 云台摄像头控制：实现对摄像头的变倍、焦距、光圈的大、小控制；
⑸ 选用硬件WDT实现程序运行监视；
⑹ 其他功能：灯光控制、防盗、状态显示、急停等。
4.2 总体方案的确定
按照功能要求，确定系统方案如图4-1所示。从图中可以看出，系统由微处理器模块、串行通信模块、时钟模块、以及镜头、云台等控制模块组成。在方案设计中，结合程序容量与通信内容，根据经济、简洁至上的原则，微处理器选用Atmel公司的89C51，所有串、并行接口时序均通过软件模拟实现。
RS-485串行
通信接口
CD4060
看门狗电路
摄像镜头控制
云台控制
图4-1 控制器功能框图
4.3系统中关键器件的选用
4.3.1 微处理器
在方案中已确定使用MCS-51系列单片机89C51。由Atmel公司生产的此型号单片机是以8031为核心构成的，它和8051系列弹片机是兼容的系列。
AT89C51具有下列主要功能：
⑴ 4KB Flash 程序存储器（可写入/擦除1000次）；
⑵ 全静态工作0Hz~24Hz;
⑶ 三级程序存储器加密；
⑷ 128字节内部RAM；
⑸ 32条可编程I/O线；
⑹ 两个16位定时器/计数器；
⑺ 6个中断源；
⑻ 可编程UART串行；
⑼ 片内时钟振荡电路；
⑽ 两种可用软件选择的省电方式—空闲方式(Idle Mode)和掉电方式（Power Down Mode）。
4.3.2 看门狗电路
看门狗（watchdog）的作用是强迫单片机（CPU）进入复位状态，使之从硬件或软件故障中解脱出来。既当单片机的程序进入了错误状态后，在一个指定的时间内，将产生一个系统复位。
本设计由计数器CD4060组成的看门狗电路如图4-2所示。CD4060是14位二进制串行
图4-2 由CD4060组成的看门狗电路
计数／分频／振荡器。选、时，振荡频率经内部１４级二分频后，从端可输出约的频率信号。为偏置电阻。正常情况下89C51没隔一段时间就将CD4060复位一次。一旦由于某种原因导致CPU失控，CD4060不能及时被复位，经过时间就从端输出高电平，立即将89C51复位，把CPU“拉回”到正常运行状态；然后CPU又将CD4060复位，使恢复成低电平。与组成微分电路，可将口输出的复位电平变成复位脉冲。
看门狗电路具有监视器与执行器的作用，是提高智能化单片机测控系统可靠性的有效措施之一。
4.4 可靠性设计
4.4.1 容错设计的一般思想
众所周知，一个单片机应用系统能否正常工作是由很多因素决定的，其外因为各类干扰，其内因为该系统本身的素质。在本节中，将着重讨论系统的容错设计原理及实现的方法。共分为2个方面，一方面是系统的自检设计，另一方面是系统的抗干扰设计。
为了使单片机系统故障能及时自行诊断出来，在设计系统硬件电路时，必须通盘考虑。诊断过程是“检查-----思考-----判断”的过程；因此一个系统的硬件容错能力在很大程度上是先天的，系统定型后，硬件容错的极限也就定下来了。例如在没有任何附加检测电路的系统中，CPU本身就无从知道其各种外围电路工作是否正常。
4.4.2 系统的自诊断设计
硬件自诊断的常用方法
自诊断又称为“自检”，通过自检功能了解系统的状况。自检一般有以下几种方法：
⑴ 上电自检
系统上电时自动进行，自检中如果没有发现问题，则转入系统的正常运行；如果发现问题，则及时报警，避免系统带病运行。
⑵ 定时自检
由系统时钟定时启动自检功能，对系统进行周期性在线检查，以便及时发现运行中的故障。
⑶ 键控自检
通过某一键盘操作启动一次自检过程，以便操作者消除对系统的疑惑，或发现系统的故障。
本解码器主要运用了上电自检的自检方法。
4.4.3自诊断的软件实现
由于没有附加任何检测电路，因此本解码器只简单地进行CPU, ROM, RAM的自检。
⑴ CPU 的诊断
CPU是微机系统的核心，如果CPU出了问题，可想而知，系统是肯定无法正常工作的。
CPU的诊断项目有：指令系统、片内RAM、定时器中断系统、I/O口等。由于没有检测电路，因此，本解码器实际只进行了前4项的诊断工作。
⑵ ROM的诊断
一般EPROM的工作应该是稳定正常的，但由于生产厂家不同，元件工艺的离散性，EPROM使用一段时间后难免出错，从而使系统不能正常工作，而且由于EPROM中的信息丢失、出错一般是零星发生的，更有必要主动检测。ROM的自检常采用“检验和”的方法。
4.4.4系统的抗干扰设计
在一个微机系统中，干扰的因素有多种。干扰既可以从线路侵入系统，也可以以场形式从空间侵入系统。例如系统的接地不良、附近有电火花激发的电磁辐射、电网的污染等。任何一种干扰都有可能使系统工作失常，尤其是在比较恶劣的现场，这种可能性就更大；因此一个单片机系统不能忽视这种干扰的存在，必须采取一定的抗干扰措施。
从成本考虑，本解码器从硬件、软件2方面采取了以下一些抗干扰措施。
⑴ 硬件抗干扰措施
首先，加大电源的滤波电容。用音响界的话来说，这好比一个“水塘”，这个“水塘”越大，系统抗干扰的能力也相应越强了。
其次，在关键元件中串入无感瓷片电容、云母电容或CBB电容，这在很大程度上削弱了高频干扰。
再者，对接地和地线的正确处理也十分关键，尽可能加粗地线。
另外，采用金属外壳也可使系统在一定程度上屏蔽掉一些杂散的场干扰。
⑵ 软件抗干扰措施
一个系统的抗干扰性能除了可以从硬件上着手外，在软件上也可大有作为。
在本解码器的软件设计过程中主要采用了软件陷阱技术，即：
① 在程序区的断层（即不使用的区域），以NOP指令填空，以保证因干扰而造成弹飞的程序尽快步入正常的运行轨道。
② 设置软件陷阱。就是用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址。为增强捕获效果，在它前面还加了2条NOP指令；因此软件陷阱实际由下列3条指令构成：
NOP
NOP
LJMP 0030H
表4-1 系统主要端口功能说明
图4-3 主流程图 图4-4 中断程序流程图
图4-5 镜头控制子程序 图4-6 云台控制子程序
4.5 软件设计
系统程序如下：
ORG 0000H
0000 LJMP L000E ；入口转000E
0003 S0003: INC R0
0004 INC @R0
0005 CJNE @R0 , #00H, L000A ；延时子程序中功能块子程序
0008 DEC R0
0009 INC @R0 ；（18）（19）之内的数加1
000A L000A: RET
000B LJMP KMG ；看门狗中断入口
000E ORG 000EH ；主程序入口
0011 L000E: MOV SP , #21
0014 MOV PSW , #00H
0017 LJMP L0156
0018 NOP
0019 NOP
001A NOP
001B NOP
001C NOP
001D NOP
001E NOP
001F NOP
0020 NOP
0021 NOP
0022 NOP
0023 LJMP CXTX ；串行通讯接收中断入口
0026 S0026: CLR EA ；通讯子程序入口
0028 CLR RI
002A MOV A , SBUF
002C CJNE A , #7FH ,L0034
002F CLR 00H
0031 LJMP L010E
0034 L0034: MOV A ,P2 ；P2→A，读解码器自身地址
0036 ANL A , #3FH
0038 ADD A , #80H
003A MOV 1DH , A
003C MOV A , SBUF
003E CJNE A , #FH , L0034
0041 SETB 001H
0043 LJMP L010E
0046 L0046: MOV C , 00H
0048 JC L0057
004A LJMP L010E
004D L004D: MOV A , SBUF ；串行口数据→A
004F SETB C
0050 SUBB A , #12H
0052 JC L0057
0054 LJMP L010C
0057 L0057: MOV A , SBUF ；串行口数据→A
0059 MOV DPTR , #019DH
005C MOV R0 , A
005D ADD A , R0
005E ADD A , R0
005F JMP @A+DPTR
0060 L0060: MOV A , P0
0062 ORL A , #3FH
0064 MOV P0 , A
0066 MOV A , P1
0068 ORL A , #3FH
006A MOV P1 , A
006C MOV 19H , #00H
006F MOV 18H , #00H
0072 LJMP L010C
0075 L0075: CLR P1.0 ；镜头控制
0077 SETB P1.1
0079 MOV 19H , #00H
007C MOV 18H , #00H
007F SJMP L010C
0082 L0082: CLR P1.2
0084 SETB P1.3
0086 MOV 19H , #00H
0089 MOV 18H , #00H
008C SJMP L010C
008E L008E: CLR P1.2
0090 SETB P1.3
0092 MOV 19H , #00H
0095 MOV 18H , #00H
0098 LJMP L010C
009A L009A: SETB P1.2
009C CLR P1.3
009E MOV 19H , #00H
00A1 MOV 18H , #00H
00A4 SJMP L010C ；云台控制
00A6 L00A6: CLR P1.4
00A8 SETB P1.5
00AA MOV 19H , #00H
00AD MOV 18H , #00H
00B0 SJMP L010C
00B2 L00B2: SETB P1.4
00B4 CLR P1.5
00B6 MOV 19H , #00H
00B9
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