基于AVR的底片自动定位系统的设计

摘要：为了实现底片张数定位以及自动统计、自动片尾检测、底片张数存储的功能，设计了一种基于AVR单片机控制的底片自动定位系统的方案与软硬件实现，分析了该系统的硬件组成和软件程序流程，由键盘／显示模块、光电传感器、电机驱动和电源供电模块组成。测试结果表明，该系统具有结构简单、操作简便、性价比高、体积小，自动化程度高等特点。
关键词：AVR；单片机；直流电机；自动定位

O 引言
    在底片判读过程中，经常会要求对底片张数的统计及对不同位置的底片进行自动定位，以方便查找和放大等工作。该底片自动查找系统就是为了实现这些功能而设计的一种全自动间隔检索设备；本设计主要是为了解决底片查找时，人工方式所产生效率低的问题，而设计的一种实用系统，从而能有效地提高生产效益。其实现功能如下：若按下自动键，此时进行刚上电的数照片动作，会自动数出一共有多少张底片；在这个过程中按下停止键时电机停止，再按一次自动键，恢复正常数照片动作；若按下存储键会存储当前的张数；当底片到片尾时电机自动停转，同时会显示总的张数。此时按下模式键可进入设置所要的照片张数和所需速度；共三级速度，可用增键与减键调整；通过增键与减键调到想看的张数后，按下确认键，自动调整到所设张数。在停止时按下存储键会进入所存储张数状态，通过存储增键与存储减键调到已存储的地址单元对应的张数；有30个存储的地址单元可供存储不同的张数；按下存储翻看键将会自动调整到所存储张数。系统能方便找到
所想要的底片，从而对底片进行放大等处理。

1 控制系统的组成及工作原理
    本控制系统采用了Atmega 16L控制，Atmel公司生产的Atmega 16L是一款比较理想的芯片，它的内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备了AVR高档单片机的MEGE系列的全部性能和特点：具有丰富的片内资源，使系统简洁可靠；运算速度快，能达到1MI PS的处理速度，有利于实现智能控制算法；AVR单片机中的mega系列具有超强的抗干扰能力，增强了产品的安全可靠性；具有高效、廉价的高级语言开发环境，便于功能的扩展与变更，极大地缩短了开发周期。内部有16 KB的FLASH存储器，1 KB的SRAM，可方便地反复擦写、修改程序，由于外部不用扩展程序存储器，可以简化电路设计，并且包含PWM信号输出，非常适合本系统的开发。由于利用了芯片的在系统编程(IS P)功能，因此不需要移动芯片。在软件设计时设计成：一旦代码文件被重新编过，即自动下载到芯片，并自动复位运行，是真正的“所编即所得”。
    整个系统包括：单片机供电电源模块，数码管显示模块，正反向控制模块，按键模块，控制信号转化模块，检测板模块。其工作原理如图1所示。

    系统采用光电传感器来对底片间隔的信号进行采集，光电传感器是以光电效应为基础，将光信号转换为电信号的传感器。当传感器检测到满足条件的被测底片间隔的信号时，立即停止产生PWM波，让底片停在满足条件的位置，接着可以对满足条件的底片进行处理，AVR单片机可以产生PWM波，经过功率组件LMD18200实现对电机的全数字化驱动，能量利用率接近100 ％。为了实现对直流电机精确的控制，必须实时采集底片的位置和电机的速度。对直流电机进行的控制是通过单片机对光电器件输出脉冲的计数，准确获知位置信息而实现的。

2 系统各模块的设计
2．1 电机驱动电路
    本系统中电机采用PWM方式调速，驱动器采用专业H桥组件LMD18200。LMD18200是美国国家半导体公司(NS)生产的用于电机驱动的功率集成芯片，内部集成4个DMOS管构成一个H桥，具备完善的逻辑控制电路和芯片保护电路；工作电压高达55 V；峰值输出电流高达6 A，连续输出电流达3 A；输入TTL／CMOS电平兼容。电机驱动电路原理如图1所示。
    小型机电一体化产品要求直流电机的驱动器既有较小的体积，又能提供较大的电流、电压输出。采用达林顿三级管搭制H桥实现PWM脉宽调制控制，由于分立器件各个元件的特性并不相同，调速性能不太好，而且电路不能达到很高的稳定性。相比而言，采用美国国家半导体公司推出的专用于运动控制的桥组件LMD18200T具有很大的优势。
    LMD18200原理框图如图2所示。

    图2中，4个DMOS管构成的H桥及其控制逻辑电路均包含在1个11脚的T-220封装中，LMD18200工作原理：内部集成了4个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路有一个300 kHz左右的工作频率。可在引脚1，11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2，10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10 A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性地自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145℃时引脚9有输出信号。
2．2 光电检测电路
    红外线光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。产品广泛用于电力仪表、电子仪器仪表、计数器、转速测量、位置测量、传真机、碎纸机等各种工业和民用场合。
    本测试系统采用EVERCOLORS的ITR-8307反射式光电开关。ITR-8307光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，反射式的光电开关是首选的检测开关。
    本设计中采用额定电压为24 V的直流电压作为光电开关的工作电压。由所选光电开关的原理可知，光电开关输出脉冲信号的低电平为0 V，高电平为24 V，高电平采用2个电阻进行分压。再由两个三极管输入到单片机引脚，三极管设计电路如图1所示，完成低电平0 V，高电平5 V的转换。
2．3 人机接口电路
    人机接口电路包括键盘和4位LED数码管显示，键盘模块采用的是3×4行列矩阵式非编码键盘，键盘用来对参数进行设定和功能的选择，包括删除、数据传输、查询等功能；显示器模块主要是由4位LED数码管和74LS595芯片组成；其电路图如图3所示，74LS595具有三态和锁存功能，脚14 SER为串行输入端，脚11SRCLK为移位寄存器时钟输入，脚12为锁存寄存器时钟输入，它连接微处理器与4位数字的7段数字LED显示，数码管用来实时显示被测底片张数，速度，存储的地址及张数等数据。 

3 控制系统软件的总体设计
    系统软件总体流程图如图4所示，在软件设计时，主要实现张数计数、片尾传感器信号处理停转、设置、所需张数定位、存储底片张数等功能。

4 结语
    采用Atmel公司的AVR系列单片机中的Atmega 16L为核心，结合红外线光电开关，实现了底片张数的统计以及对不同位置的底片进行自动定位，系统能方便地找到所想要的底片，从而对底片进行放大等处理。该底片自动查找系统就是为了实现这些功能而设计的一种全自动间隔检索设备。本设计主要是为了解决底片查找时，针对人工方式所产生效率低的问题而设计的一种实用系统，从而极大地提高了生产效益。
    本文的创新点是利用红外线反射式传感器实现了底片自动定位的功能；系统能实现底片张数的自动统计、目标底片保存和自动查找的功能；具有性能稳定、性价比高、电路简洁、自动化程度高的特点。