基于AVR的底片自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)底片張數(shù)定位以及自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)片尾檢測(cè)、底片張數(shù)存儲(chǔ)的功能，設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)控制的底片自動(dòng)定位系統(tǒng)的方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)，分析了該系統(tǒng)的硬件組成和軟件程序流程，由鍵盤／顯示模塊、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源供電模塊組成。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高、體積小，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AVR；單片機(jī)；直流電機(jī)；自動(dòng)定位

O 引言
    在底片判讀過程中，經(jīng)常會(huì)要求對(duì)底片張數(shù)的統(tǒng)計(jì)及對(duì)不同位置的底片進(jìn)行自動(dòng)定位，以方便查找和放大等工作。該底片自動(dòng)查找系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)這些功能而設(shè)計(jì)的一種全自動(dòng)間隔檢索設(shè)備；本設(shè)計(jì)主要是為了解決底片查找時(shí)，人工方式所產(chǎn)生效率低的問題，而設(shè)計(jì)的一種實(shí)用系統(tǒng)，從而能有效地提高生產(chǎn)效益。其實(shí)現(xiàn)功能如下：若按下自動(dòng)鍵，此時(shí)進(jìn)行剛上電的數(shù)照片動(dòng)作，會(huì)自動(dòng)數(shù)出一共有多少?gòu)埖灼?；在這個(gè)過程中按下停止鍵時(shí)電機(jī)停止，再按一次自動(dòng)鍵，恢復(fù)正常數(shù)照片動(dòng)作；若按下存儲(chǔ)鍵會(huì)存儲(chǔ)當(dāng)前的張數(shù)；當(dāng)?shù)灼狡矔r(shí)電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn)，同時(shí)會(huì)顯示總的張數(shù)。此時(shí)按下模式鍵可進(jìn)入設(shè)置所要的照片張數(shù)和所需速度；共三級(jí)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(rèn)鍵，自動(dòng)調(diào)整到所設(shè)張數(shù)。在停止時(shí)按下存儲(chǔ)鍵會(huì)進(jìn)入所存儲(chǔ)張數(shù)狀態(tài)，通過存儲(chǔ)增鍵與存儲(chǔ)減鍵調(diào)到已存儲(chǔ)的地址單元對(duì)應(yīng)的張數(shù)；有30個(gè)存儲(chǔ)的地址單元可供存儲(chǔ)不同的張數(shù)；按下存儲(chǔ)翻看鍵將會(huì)自動(dòng)調(diào)整到所存儲(chǔ)張數(shù)。系統(tǒng)能方便找到
所想要的底片，從而對(duì)底片進(jìn)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(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備了AVR高檔單片機(jī)的MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)：具有豐富的片內(nèi)資源，使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠；運(yùn)算速度快，能達(dá)到1MI PS的處理速度，有利于實(shí)現(xiàn)智能控制算法；AVR單片機(jī)中的mega系列具有超強(qiáng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了產(chǎn)品的安全可靠性；具有高效、廉價(jià)的高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，便于功能的擴(kuò)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(chǔ)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(kuò)展程序存儲(chǔ)器，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，并且包含PWM信號(hào)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(dòng)芯片。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成：一旦代碼文件被重新編過，即自動(dòng)下載到芯片，并自動(dòng)復(fù)位運(yùn)行，是真正的“所編即所得”。
    整個(gè)系統(tǒng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(hào)轉(zhuǎn)化模塊，檢測(cè)板模塊。其工作原理如圖1所示。

    系統(tǒng)采用光電傳感器來對(duì)底片間隔的信號(hào)進(jìn)行采集，光電傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。當(dāng)傳感器檢測(cè)到滿足條件的被測(cè)底片間隔的信號(hào)時(shí)，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(duì)滿足條件的底片進(jìn)行處理，AVR單片機(jī)可以產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過功率組件LMD18200實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)，能量利用率接近100 ％。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)精確的控制，必須實(shí)時(shí)采集底片的位置和電機(jī)的速度。對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行的控制是通過單片機(jī)對(duì)光電器件輸出脈沖的計(jì)數(shù)，準(zhǔn)確獲知位置信息而實(shí)現(xiàn)的。

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)
2．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    本系統(tǒng)中電機(jī)采用PWM方式調(diào)速，驅(qū)動(dòng)器采用專業(yè)H橋組件LMD18200。LMD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率集成芯片，內(nèi)部集成4個(gè)DMOS管構(gòu)成一個(gè)H橋，具備完善的邏輯控制電路和芯片保護(hù)電路；工作電壓高達(dá)55 V；峰值輸出電流高達(dá)6 A，連續(xù)輸出電流達(dá)3 A；輸入TTL／CMOS電平兼容。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖1所示。
    小型機(jī)電一體化產(chǎn)品要求直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器既有較小的體積，又能提供較大的電流、電壓輸出。采用達(dá)林頓三級(jí)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(gè)元件的特性并不相同，調(diào)速性能不太好，而且電路不能達(dá)到很高的穩(wěn)定性。相比而言，采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的專用于運(yùn)動(dòng)控制的橋組件LMD18200T具有很大的優(yōu)勢(shì)。
    LMD18200原理框圖如圖2所示。

    圖2中，4個(gè)DMOS管構(gòu)成的H橋及其控制邏輯電路均包含在1個(gè)11腳的T-220封裝中，LMD18200工作原理：內(nèi)部集成了4個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路有一個(gè)300 kHz左右的工作頻率。可在引腳1，11外接電容形成第二個(gè)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(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳2，10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測(cè)輸出引腳8可以接一個(gè)對(duì)地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10 A，當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性地自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145℃時(shí)引腳9有輸出信號(hào)。
2．2 光電檢測(cè)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(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。產(chǎn)品廣泛用于電力儀表、電子儀器儀表、計(jì)數(shù)器、轉(zhuǎn)速測(cè)量、位置測(cè)量、傳真機(jī)、碎紙機(jī)等各種工業(yè)和民用場(chǎng)合。
    本測(cè)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(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，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(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)開關(guān)。
    本設(shè)計(jì)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(hào)的低電平為0 V，高電平為24 V，高電平采用2個(gè)電阻進(jìn)行分壓。再由兩個(gè)三極管輸入到單片機(jī)引腳，三極管設(shè)計(jì)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(jī)接口電路
    人機(jī)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(duì)參數(shù)進(jìn)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(shí)鐘輸入，腳12為鎖存寄存器時(shí)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(shí)時(shí)顯示被測(cè)底片張數(shù)，速度，存儲(chǔ)的地址及張數(shù)等數(shù)據(jù)。 

3 控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)張數(shù)計(jì)數(shù)、片尾傳感器信號(hào)處理停轉(zhuǎn)、設(shè)置、所需張數(shù)定位、存儲(chǔ)底片張數(shù)等功能。

4 結(jié)語(yǔ)
    采用Atmel公司的AVR系列單片機(jī)中的Atmega 16L為核心，結(jié)合紅外線光電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了底片張數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及對(duì)不同位置的底片進(jìn)行自動(dòng)定位，系統(tǒng)能方便地找到所想要的底片，從而對(duì)底片進(jìn)行放大等處理。該底片自動(dòng)查找系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)這些功能而設(shè)計(jì)的一種全自動(dòng)間隔檢索設(shè)備。本設(shè)計(jì)主要是為了解決底片查找時(shí)，針對(duì)人工方式所產(chǎn)生效率低的問題而設(shè)計(jì)的一種實(shí)用系統(tǒng)，從而極大地提高了生產(chǎn)效益。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是利用紅外線反射式傳感器實(shí)現(xiàn)了底片自動(dòng)定位的功能；系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)底片張數(shù)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、目標(biāo)底片保存和自動(dòng)查找的功能；具有性能穩(wěn)定、性價(jià)比高、電路簡(jiǎn)潔、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。