基于AVR单片机的彩色放大机设计

2011-08-16吴震

长春工业大学学报 2011年4期

吴震

(江阴职业技术学院电子信息工程系,江苏江阴 214405)

0 引言

放大设备是用来将一定尺寸的原稿放大成一定比例尺的照片,或通过放大设备对摄影作品进行特殊的艺术加工。目前放大设备的种类很多,形式也各异,就其功能和结构来说,大体上可以从以下几个方面加以区别:从用途上可分为黑白放大机、彩色放大机、彩色扩印机和带纠正功能的放大机等;从升降结构上可分为手动升降、弹力簧升降、电动升降和自动升降等;从调焦方式上可分为手动调焦、电动调焦和自动调焦等;从校色系统上可分为自备滤色片手动校色、干涉膜滤色片机械校色和通道存储自动校色等;尽管放大机的式样很多,适用范围不同。但其基本原理只有一个,就是透镜成像中的放大原理。构成放大机的基本单元都是一样的:镜头、光源和承影屏。其它所有结构都是围绕着这一原理和3个基本单元,面向适用型和发展型设计而成的[1]。

彩色放大机是在黑白放大机的基础上发展起来的。一般地,黑白放大机也可以用来放大彩色照片,只要在灯泡到负片的光路中加一彩色滤色片抽斗即可。放大时,在底片夹中放上彩色负片,在滤色片抽斗中放上校色滤色片,经过实验调整,就可得到彩色照片。但是,这种手动调整的缺点是操作较复杂,条件不稳定。目前,较为先进的进口的彩色放大机几乎都是电脑进行校色及存储。就需要一种既有专业的功能,又要物美价廉,操作控制简单的自动控制彩色放大机,它主要能控制滤色片无级校色及标准数据的存储(通道存储自动校色)、对焦、机头升降等。基于这一理念,采用高性能AVR单片机设计了这款彩色放大机。

1 AVR单片机特色

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置 Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机[2]。本次设计采用的ATMega8L是ATMEL公司AVR高档单片机成员之一,它具有AVR高档单片机的性能,同时又具有低档单片机的价格,产品在市场应用上极具竞争力。ATMega8L内有8 kB flash存储器;1 kB的SRAM,32个通用寄存器;3个数据指针;512 B的 EEPROM;18个中断源;两个 8位定时器/计数器,一个16位的定时器/计数器,带捕捉、比较和三路PWM 功能;可选片内/片外 RC振荡、石英/陶瓷晶振;工作电压 2.7～5.5 V;工作频率 0～16 MHz;DIP28,TQFP32,M LF32封装;DIP封装的 ATMega8有23个I/O口,4路10位ADC,2路8位ADC通道。ATMega8与其它8位单片机相比,具有更高的程序安全性。

AT90s8535单片机是AVR系列单片机中内部接口丰富、功能齐全且性价比高的一个品种,主要特点有:32个通用工作寄存器,均可用作累加器,克服了51系列单一累加器造成的瓶颈效应,高速度。每个时钟周期执行一条指令,当主频为12时,大多数指令仅需约80 ns,32个I/O口。输出的驱动能力强,灌电流可达40 mA,能直接驱动LED、继电器等器件;输入口可三态输入,也可带内部上拉电阻。设有看门狗定时器,抗干扰能力增强。除可使用汇编语言外,它还可使用C语言编程,易学、易写、易于移植,目前市场上AVR单片机的开发平台也很丰富。

2 彩色放大机控制系统结构

根据文中所述,尽管彩色放大机的种类很多,形式也各异,就其功能和结构来说,是基本一致的。主要分为校色单元、对焦单元和升降单元3部分。彩色放大机控制系统结构如图1所示[3]。

图1 控制系统结构图

其中,ATMega8L单片机通过键盘输入不同指令,通过单片机的通讯口输出到AT90s8535单片机接收口,从而控制放大机一切动作。同时通过LCD液晶屏显示出来。校色是通过AT90s8535单片机—驱动器—步进电机对三滤色片在光路中进出控制来完成的。对焦和升降是控制继电器改变加在两个直流电机两端的直流电源极性,从而改变两个直流电机的转向来实现的。对步进电机的零位、对焦和升降电机的极限保护、电源模块没在图中示意[4]。

3 彩色放大机校色功能的设计与实现

彩色放大机校色是通过步进电机改变滤色片阻挡三原色的多少,用来校正摄影时照明色温偏差、负片曝光量偏差,要求具备复位清零功能、存储功能,通过单片机的数据存储来存储步进电机控制滤色片所占比例的信息。为了使光源色温连续调节,在3块滤色片上分别装有机械传动机构,滤色片的传动机构简图如图2所示。

图2 滤色片调节机构

步进电机带动曲线凸轮转动,带动传动杆使滤色片在光路中插入和退出,达到校色范围为0～130 cc无级改变光源色温的目的,另一方面通过单片机ATmega8L存储和用LCD液晶屏显示黄、品、青三滤色片有步进电机转动的角度,理论上转动的角度范围为0～360°,实际有曲线凸轮,可见是不到 360°的,只有 260°,正好对应校色范围为0～130 cc值。

4 彩色放大机的硬件和软件设计

4.1 ATMega8L单片机硬件接口电路

键盘可以分为独立式键盘和行列式键盘。单片机控制系统中,往往只需要几个功能键,此时可采用独立式按键。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路,其特点是每个按键单独占用一根I/O,按键电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O口线,因此,在按键较多时,I/O口线浪费较大,不宜采用。彩色放大机按功能需要12个按键来控制放大机,如果要用独立式键盘,需要12个I/O口,这样设计比较复杂,所以这12个按键采用行列式键盘(矩阵键盘)接法,接口电路如图 3所示[5-7]。

图3 ATMega8L单片机硬件接口原理图

本设计中需要显示数字、英文字母和其它字符,而LED数码管显示字符有限,所以相比之下选择LCD更能满足本设计要求。鉴于节约能源、操作简便等优点选用点阵型液晶显示模块,考虑经济实惠选用CM164-1 LCD液晶显示,显示内容(字数×行):16×4。其亮度控制是利用 ATMega8的PB1的第二功能,输出一路占空比可调的PWM 信号,用于控制LCD背景灯(接口见图3)。

电源5 V电压是通过通讯口1和4脚提供的。单片机ATMega8L的PD1,PD0口通过通讯口分别与单片机AT90s8535的PD0,PD1口相连接完成通讯功能的。

4.2 AT90s8535单片机硬件接口电路

步进电动机在这个硬件接口电路中有着举足轻重的地位,它主要控制着三滤色片进与出,从而完成最终图片所需要达到的颜色要求。步进电动机的工作是由ATMega8L单片机通过通讯端口,再经过AT90s8535单片机的PA与PC两个双向I/O口编程输出步进电机的环形分配器编码给驱动芯片ULN2803,由 ULN2803驱动步进电机。从而最终让电动机转动一定角度,完成对黄、品、青三滤色片的进与出控制,完成校色功能。升降和对焦主要是通过继电器改变直流电源的极性,从而改变直流电机的转向实现的。其接口原理如图4所示[8-12]。

图4 AT90s8535单片机硬件接口原理图

ULN2803是8路NPN达林顿连接晶体管阵列,特别适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流/电压要求之间的接口,ULN2803的驱动负载电流为500 mA,驱动电压50V。COM脚的作用是,当你使用ULN2803来驱动电感类负载,可以将COM脚接到电源正,利用ULN2803内部的反向二极管作保护器件,消除电感类负载闭合时产生的感应电压,来削减冲击电压低到二极管压降加电源电压的幅度,就可以使得内部的三极管受到最小的正电压冲击,不易击穿器件。

4.3 软件设计

彩色放大机的软件包括单片机ATMega8L软件和AT90s8535软件。ATMega8L软件包括Flash的读、写、删除控制;LCD 读、写、清屏;按键的中断操作;串行接收、发送数据;RAM的读、写、删除;数值转换等。AT90s8535软件包括串行接收、发送数据;步进电机驱动;升降、对焦电机驱动;保护等。ATMega8L软件主流程如图5所示。