采用Atmega 16L為核心實現(xiàn)底片自動定位系統(tǒng)的設(shè)計

引言

在底片判讀過程中，經(jīng)常會要求對底片張數(shù)的統(tǒng)計及對不同位置的底片進行自動定位，以方便查找和放大等工作。該底片自動查找系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)這些功能而設(shè)計的一種全自動間隔檢索設(shè)備；本設(shè)計主要是為了解決底片查找時，人工方式所產(chǎn)生效率低的問題，而設(shè)計的一種實用系統(tǒng)，從而能有效地提高生產(chǎn)效益。其實現(xiàn)功能如下：若按下自動鍵，此時進行剛上電的數(shù)照片動作，會自動數(shù)出一共有多少張底片；在這個過程中按下停止鍵時電機停止，再按一次自動鍵，恢復(fù)正常數(shù)照片動作；若按下存儲鍵會存儲當前的張數(shù)；當?shù)灼狡矔r電機自動停轉(zhuǎn)，同時會顯示總的張數(shù)。此時按下模式鍵可進入設(shè)置所要的照片張數(shù)和所需速度；共三級速度，可用增鍵與減鍵調(diào)整；通過增鍵與減鍵調(diào)到想看的張數(shù)后，按下確認鍵，自動調(diào)整到所設(shè)張數(shù)。在停止時按下存儲鍵會進入所存儲張數(shù)狀態(tài)，通過存儲增鍵與存儲減鍵調(diào)到已存儲的地址單元對應(yīng)的張數(shù)；有30個存儲的地址單元可供存儲不同的張數(shù)；按下存儲翻看鍵將會自動調(diào)整到所存儲張數(shù)。系統(tǒng)能方便找到所想要的底片，從而對底片進行放大等處理。

1 控制系統(tǒng)的組成及工作原理

本控制系統(tǒng)采用了Atmega 16L控制，Atmel公司生產(chǎn)的Atmega 16L是一款比較理想的芯片，它的內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備了AVR高檔單片機的MEGE系列的全部性能和特點：具有豐富的片內(nèi)資源，使系統(tǒng)簡潔可靠；運算速度快，能達到1MI PS的處理速度，有利于實現(xiàn)智能控制算法；AVR單片機中的mega系列具有超強的抗干擾能力，增強了產(chǎn)品的安全可靠性；具有高效、廉價的高級語言開發(fā)環(huán)境，便于功能的擴展與變更，極大地縮短了開發(fā)周期。內(nèi)部有16 KB的FLASH存儲器，1 KB的SRAM，可方便地反復(fù)擦寫、修改程序，由于外部不用擴展程序存儲器，可以簡化電路設(shè)計，并且包含PWM信號輸出，非常適合本系統(tǒng)的開發(fā)。由于利用了芯片的在系統(tǒng)編程(IS P)功能，因此不需要移動芯片。在軟件設(shè)計時設(shè)計成：一旦代碼文件被重新編過，即自動下載到芯片，并自動復(fù)位運行，是真正的“所編即所得”。

整個系統(tǒng)包括：單片機供電電源模塊，數(shù)碼管顯示模塊，正反向控制模塊，按鍵模塊，控制信號轉(zhuǎn)化模塊，檢測板模塊。其工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路圖主要組成部分

系統(tǒng)采用光電傳感器來對底片間隔的信號進行采集，光電傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。當傳感器檢測到滿足條件的被測底片間隔的信號時，立即停止產(chǎn)生PWM波，讓底片停在滿足條件的位置，接著可以對滿足條件的底片進行處理，AVR單片機可以產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過功率組件LMD18200實現(xiàn)對電機的全數(shù)字化驅(qū)動，能量利用率接近100 ％。為了實現(xiàn)對直流電機精確的控制，必須實時采集底片的位置和電機的速度。對直流電機進行的控制是通過單片機對光電器件輸出脈沖的計數(shù)，準確獲知位置信息而實現(xiàn)的。

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計

2．1 電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)中電機采用PWM方式調(diào)速，驅(qū)動器采用專業(yè)H橋組件LMD18200。LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的用于電機驅(qū)動的功率集成芯片，內(nèi)部集成4個DMOS管構(gòu)成一個H橋，具備完善的邏輯控制電路和芯片保護電路；工作電壓高達55 V；峰值輸出電流高達6 A，連續(xù)輸出電流達3 A；輸入TTL／CMOS電平兼容。電機驅(qū)動電路原理如圖1所示。

小型機電一體化產(chǎn)品要求直流電機的驅(qū)動器既有較小的體積，又能提供較大的電流、電壓輸出。采用達林頓三級管搭制H橋?qū)崿F(xiàn)PWM脈寬調(diào)制控制，由于分立器件各個元件的特性并不相同，調(diào)速性能不太好，而且電路不能達到很高的穩(wěn)定性。相比而言，采用美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于運動控制的橋組件LMD18200T具有很大的優(yōu)勢。

LMD18200原理框圖如圖2所示。

圖2 LMD18200原理框圖

圖2中，4個DMOS管構(gòu)成的H橋及其控制邏輯電路均包含在1個11腳的T-220封裝中，LMD18200工作原理：內(nèi)部集成了4個DMOS管，組成一個標準的H型驅(qū)動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路有一個300 kHz左右的工作頻率?？稍谝_1，11外接電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時間越短，工作頻率可以更高。引腳2，10接直流電機電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電路設(shè)置的過電流閾值為10 A，當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性地自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出，當結(jié)溫達到145℃時引腳9有輸出信號。

2．2 光電檢測電路

紅外線光電開關(guān)(光電傳感器)是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。產(chǎn)品廣泛用于電力儀表、電子儀器儀表、計數(shù)器、轉(zhuǎn)速測量、位置測量、傳真機、碎紙機等各種工業(yè)和民用場合。

本測試系統(tǒng)采用EVERCOLORS的ITR-8307反射式光電開關(guān)。ITR-8307光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，反射式的光電開關(guān)是首選的檢測開關(guān)。

本設(shè)計中采用額定電壓為24 V的直流電壓作為光電開關(guān)的工作電壓。由所選光電開關(guān)的原理可知，光電開關(guān)輸出脈沖信號的低電平為0 V，高電平為24 V，高電平采用2個電阻進行分壓。再由兩個三極管輸入到單片機引腳，三極管設(shè)計電路如圖1所示，完成低電平0 V，高電平5 V的轉(zhuǎn)換。

2．3 人機接口電路

人機接口電路包括鍵盤和4位LED數(shù)碼管顯示，鍵盤模塊采用的是3×4行列矩陣式非編碼鍵盤，鍵盤用來對參數(shù)進行設(shè)定和功能的選擇，包括刪除、數(shù)據(jù)傳輸、查詢等功能；顯示器模塊主要是由4位LED數(shù)碼管和74LS595芯片組成；其電路圖如圖3所示，74LS595具有三態(tài)和鎖存功能，腳14 SER為串行輸入端，腳11SRCLK為移位寄存器時鐘輸入，腳12為鎖存寄存器時鐘輸入，它連接微處理器與4位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，數(shù)碼管用來實時顯示被測底片張數(shù)，速度，存儲的地址及張數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖3 人機接口電路

3 控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示，在軟件設(shè)計時，主要實現(xiàn)張數(shù)計數(shù)、片尾傳感器信號處理停轉(zhuǎn)、設(shè)置、所需張數(shù)定位、存儲底片張數(shù)等功能。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程圖

4 結(jié)語

采用Atmel公司的AVR系列單片機中的Atmega 16L為核心，結(jié)合紅外線光電開關(guān)，實現(xiàn)了底片張數(shù)的統(tǒng)計以及對不同位置的底片進行自動定位，系統(tǒng)能方便地找到所想要的底片，從而對底片進行放大等處理。該底片自動查找系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)這些功能而設(shè)計的一種全自動間隔檢索設(shè)備。本設(shè)計主要是為了解決底片查找時，針對人工方式所產(chǎn)生效率低的問題而設(shè)計的一種實用系統(tǒng)，從而極大地提高了生產(chǎn)效益。

本文的創(chuàng)新點是利用紅外線反射式傳感器實現(xiàn)了底片自動定位的功能；系統(tǒng)能實現(xiàn)底片張數(shù)的自動統(tǒng)計、目標底片保存和自動查找的功能；具有性能穩(wěn)定、性價比高、電路簡潔、自動化程度高的特點。