基于AVR單片機的彩色放大機設計

吳 震

(江陰職業技術學院電子信息工程系,江蘇江陰 214405)

0 引 言

放大設備是用來將一定尺寸的原稿放大成一定比例尺的照片,或通過放大設備對攝影作品進行特殊的藝術加工。目前放大設備的種類很多,形式也各異,就其功能和結構來說,大體上可以從以下幾個方面加以區別:從用途上可分為黑白放大機、彩色放大機、彩色擴印機和帶糾正功能的放大機等;從升降結構上可分為手動升降、彈力簧升降、電動升降和自動升降等;從調焦方式上可分為手動調焦、電動調焦和自動調焦等;從校色系統上可分為自備濾色片手動校色、干涉膜濾色片機械校色和通道存儲自動校色等;盡管放大機的式樣很多,適用范圍不同。但其基本原理只有一個,就是透鏡成像中的放大原理。構成放大機的基本單元都是一樣的:鏡頭、光源和承影屏。其它所有結構都是圍繞著這一原理和3個基本單元,面向適用型和發展型設計而成的[1]。

彩色放大機是在黑白放大機的基礎上發展起來的。一般地,黑白放大機也可以用來放大彩色照片,只要在燈泡到負片的光路中加一彩色濾色片抽斗即可。放大時,在底片夾中放上彩色負片,在濾色片抽斗中放上校色濾色片,經過實驗調整,就可得到彩色照片。但是,這種手動調整的缺點是操作較復雜,條件不穩定。目前,較為先進的進口的彩色放大機幾乎都是電腦進行校色及存儲。就需要一種既有專業的功能,又要物美價廉,操作控制簡單的自動控制彩色放大機,它主要能控制濾色片無級校色及標準數據的存儲(通道存儲自動校色)、對焦、機頭升降等。基于這一理念,采用高性能AVR單片機設計了這款彩色放大機。

1 AVR單片機特色

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置 Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機[2]。本次設計采用的ATMega8L是ATMEL公司AVR高檔單片機成員之一,它具有AVR高檔單片機的性能,同時又具有低檔單片機的價格,產品在市場應用上極具競爭力。ATMega8L內有8 kB flash存儲器;1 kB的SRAM,32個通用寄存器;3個數據指針;512 B的 EEPROM;18個中斷源;兩個 8位定時器/計數器,一個16位的定時器/計數器,帶捕捉、比較和三路PWM 功能;可選片內/片外 RC振蕩、石英/陶瓷晶振;工作電壓 2.7～5.5 V;工作頻率 0～16 MHz;DIP28,TQFP32,M LF32封裝;DIP封裝的 ATMega8有23個I/O口,4路10位ADC,2路8位ADC通道。ATMega8與其它8位單片機相比,具有更高的程序安全性。

AT90s8535單片機是AVR系列單片機中內部接口豐富、功能齊全且性價比高的一個品種,主要特點有:32個通用工作寄存器,均可用作累加器,克服了51系列單一累加器造成的瓶頸效應,高速度。每個時鐘周期執行一條指令,當主頻為12時,大多數指令僅需約80 ns,32個I/O口。輸出的驅動能力強,灌電流可達40 mA,能直接驅動LED、繼電器等器件;輸入口可三態輸入,也可帶內部上拉電阻。設有看門狗定時器,抗干擾能力增強。除可使用匯編語言外,它還可使用C語言編程,易學、易寫、易于移植,目前市場上AVR單片機的開發平臺也很豐富。

2 彩色放大機控制系統結構

根據文中所述,盡管彩色放大機的種類很多,形式也各異,就其功能和結構來說,是基本一致的。主要分為校色單元、對焦單元和升降單元3部分。彩色放大機控制系統結構如圖1所示[3]。

圖1 控制系統結構圖

其中,ATMega8L單片機通過鍵盤輸入不同指令,通過單片機的通訊口輸出到AT90s8535單片機接收口,從而控制放大機一切動作。同時通過LCD液晶屏顯示出來。校色是通過AT90s8535單片機—驅動器—步進電機對三濾色片在光路中進出控制來完成的。對焦和升降是控制繼電器改變加在兩個直流電機兩端的直流電源極性,從而改變兩個直流電機的轉向來實現的。對步進電機的零位、對焦和升降電機的極限保護、電源模塊沒在圖中示意[4]。

3 彩色放大機校色功能的設計與實現

彩色放大機校色是通過步進電機改變濾色片阻擋三原色的多少,用來校正攝影時照明色溫偏差、負片曝光量偏差,要求具備復位清零功能、存儲功能,通過單片機的數據存儲來存儲步進電機控制濾色片所占比例的信息。為了使光源色溫連續調節,在3塊濾色片上分別裝有機械傳動機構,濾色片的傳動機構簡圖如圖2所示。

圖2 濾色片調節機構

步進電機帶動曲線凸輪轉動,帶動傳動桿使濾色片在光路中插入和退出,達到校色范圍為0～130 cc無級改變光源色溫的目的,另一方面通過單片機ATmega8L存儲和用LCD液晶屏顯示黃、品、青三濾色片有步進電機轉動的角度,理論上轉動的角度范圍為0～360°,實際有曲線凸輪,可見是不到 360°的,只有 260°,正好對應校色范圍為0～130 cc值。

4 彩色放大機的硬件和軟件設計

4.1 ATMega8L單片機硬件接口電路

鍵盤可以分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤。單片機控制系統中,往往只需要幾個功能鍵,此時可采用獨立式按鍵。獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路,其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O,按鍵電路配置靈活,軟件結構簡單,但每個按鍵必須占用一根I/O口線,因此,在按鍵較多時,I/O口線浪費較大,不宜采用。彩色放大機按功能需要12個按鍵來控制放大機,如果要用獨立式鍵盤,需要12個I/O口,這樣設計比較復雜,所以這12個按鍵采用行列式鍵盤(矩陣鍵盤)接法,接口電路如圖 3所示[5-7]。

圖3 ATMega8L單片機硬件接口原理圖

本設計中需要顯示數字、英文字母和其它字符,而LED數碼管顯示字符有限,所以相比之下選擇LCD更能滿足本設計要求。鑒于節約能源、操作簡便等優點選用點陣型液晶顯示模塊,考慮經濟實惠選用CM164-1 LCD液晶顯示,顯示內容(字數×行):16×4。其亮度控制是利用 ATMega8的PB1的第二功能,輸出一路占空比可調的PWM 信號,用于控制LCD背景燈(接口見圖3)。

電源5 V電壓是通過通訊口1和4腳提供的。單片機ATMega8L的PD1,PD0口通過通訊口分別與單片機AT90s8535的PD0,PD1口相連接完成通訊功能的。

4.2 AT90s8535單片機硬件接口電路

步進電動機在這個硬件接口電路中有著舉足輕重的地位,它主要控制著三濾色片進與出,從而完成最終圖片所需要達到的顏色要求。步進電動機的工作是由ATMega8L單片機通過通訊端口,再經過AT90s8535單片機的PA與PC兩個雙向I/O口編程輸出步進電機的環形分配器編碼給驅動芯片ULN2803,由 ULN2803驅動步進電機。從而最終讓電動機轉動一定角度,完成對黃、品、青三濾色片的進與出控制,完成校色功能。升降和對焦主要是通過繼電器改變直流電源的極性,從而改變直流電機的轉向實現的。其接口原理如圖4所示[8-12]。

圖4 AT90s8535單片機硬件接口原理圖

ULN2803是8路NPN達林頓連接晶體管陣列,特別適用于低邏輯電平數字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口,ULN2803的驅動負載電流為500 mA,驅動電壓50V。COM腳的作用是,當你使用ULN2803來驅動電感類負載,可以將COM腳接到電源正,利用ULN2803內部的反向二極管作保護器件,消除電感類負載閉合時產生的感應電壓,來削減沖擊電壓低到二極管壓降加電源電壓的幅度,就可以使得內部的三極管受到最小的正電壓沖擊,不易擊穿器件。

4.3 軟件設計

彩色放大機的軟件包括單片機ATMega8L軟件和AT90s8535軟件。ATMega8L軟件包括Flash的讀、寫、刪除控制;LCD 讀、寫、清屏;按鍵的中斷操作;串行接收、發送數據;RAM的讀、寫、刪除;數值轉換等。AT90s8535軟件包括串行接收、發送數據;步進電機驅動;升降、對焦電機驅動;保護等。ATMega8L軟件主流程如圖5所示。

圖5 ATMega8L軟件主流程圖

5 彩色放大機特點和性能指標

1)底片規格:一般為60 mm×90 mm以下的彩色負片,不同底片規格是通過更換定制的底片片夾來實現的。

2)機頭升降:按“升降”鍵,再按“增”或“減”鍵,完成電動升降功能,并設有極限保護,防止機頭從軌道上掉下。

3)清零:按“清零”鍵,黃、品、青三干涉膜濾色片全部退出光路,即3只步進電機都反轉到零限位處。

4)對焦:按“調焦”鍵,再按“增”或“減”鍵,直到清晰為止,完成電動調焦功能,并設有極限保護。

5)校色:為減色法校色,插入黃、品、青三干涉膜濾色片,為無級校色。按“黃”鍵,再按“增”或“減”鍵,步進電機轉動范圍0～260°,對應示值在0～130 cc。

品、青校色與黃校色相類同(黃、品、青經反復校色,得出標準照片)。

6)存儲通道:可存儲50個通道,按“通道”鍵,再按“增”或“減”鍵,選通道號,再按存儲鍵,即把三濾色片的旋轉角度存儲到該通道號,下次要印相同的底片(放大紙、顯影條件相同)時,選相應的通道號,再按“讀出”鍵,就把上次存儲的三濾色片旋轉的角度恢復了。

7)LCD背景亮度調節:按“亮度”鍵,再按“增”或“減”鍵,完成液晶背景亮度調節。

6 結 語

通過對樣機的測試表明,此機無論在校色控制和通道存儲等都達到了預先設計的技術指標,其完全可以滿足印放彩色照片的需求。該系統的應用前景很廣闊,尤其在航空航天、攝影、法律以及醫學方面有著廣泛的應用。同時,它具有操作簡單、性能穩定、數據通訊抗干擾能力強等特點,可以極大地提高作業效率、減輕工作強度。

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