C51程序控制激光廣告儀系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；C51語言；DAC；控制

引言
當(dāng)前，激光技術(shù)發(fā)展日趨完善，在基礎(chǔ)研究、醫(yī)療、機(jī)械、通訊等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行可視化激光器控制，因?yàn)橛?jì)算機(jī)有很高的速度和很大的存貯空間，可以控制大的系統(tǒng)。在控制中小型系統(tǒng)時，計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢并不明顯，而且軟硬件復(fù)雜、成本較高。
采用簡單的控制系統(tǒng)來取代計(jì)算機(jī)這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，可以解決以上問題。在一般控制系統(tǒng)中，單片機(jī)可以代替計(jì)算機(jī)，其中被廣泛使用的是AT89C51單片機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、控制性能良好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
該控制系統(tǒng)，本質(zhì)上是控制四路TTL電源電平，這方面作者作了一些有效嘗試。
本文利用單片機(jī)及C51程序控制激光器，使其在顯示屏上描述圖像。圖像原始數(shù)據(jù)由AUTOCAD 等相關(guān)軟件生成PLT文件，再轉(zhuǎn)化成C51數(shù)據(jù)模式。該控制系統(tǒng)主體控制程序是C51程序，由它控制激光描繪出相應(yīng)的圖像。

單片機(jī)控制的激光廣告儀系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)主要分為以下四個部分。
控制部分：AT89C51單片機(jī)，8MHz晶振。運(yùn)行控制程序，向兩個DAC芯片發(fā)送控制指令，完成芯片的選擇和數(shù)據(jù)的發(fā)送。
DAC部分：兩個DAC芯片DAC0832LCN。完成數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)換，在確認(rèn)被選中后，對送上端口的8位數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
信號放大部分：兩組雙運(yùn)算放大器HA17741。將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成電壓量，然后輸出兩路電源給光學(xué)掃描系統(tǒng)，控制X,Y軸振鏡。
開關(guān)電源： 通過單片機(jī)的p1.4和p1.5端口，輸出“1”或“0”來關(guān)閉和打開兩路紅綠激光電源。
三色激光廣告儀系統(tǒng)原理簡圖和構(gòu)成
原來的三色激光廣告儀中的控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)完成，現(xiàn)在由單片機(jī)來取代，如圖1所示。單片機(jī)通過導(dǎo)入其中的C51程序來控制四路電平的輸出。光學(xué)振鏡掃描系統(tǒng)(上海通用掃描公司生產(chǎn)，型號為6001S)中X、Y軸振鏡步進(jìn)機(jī)接受從運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓信號。正常的輸入電壓范圍為±10V，系統(tǒng)設(shè)定±40o光學(xué)掃描角，單片機(jī)控制系統(tǒng)中輸出電壓范圍為± 5V，所以對應(yīng)的光學(xué)掃描角為±20o，這樣的角度范圍滿足實(shí)驗(yàn)要求。
其余SW1，SW2兩路控制激光電源，一路是670nm的紅色激光，另一路是532nm的綠色激光。運(yùn)行程序控制激光發(fā)光及激光顏色，最后在演示屏幕上顯示所要求的圖像。

圖1 三色激光廣告儀系統(tǒng)原理簡圖

圖2 雙極性輸出電路圖

圖3 C51語音程序流程圖

圖4 動態(tài)顯示的橢圓和靜態(tài)矩形

?同步輸出
兩路D/A輸出要求嚴(yán)格同步，采用圖中接法，把數(shù)字量的輸入鎖存兩路D/A轉(zhuǎn)換輸出，實(shí)現(xiàn)同步控制X、Y軸振鏡步進(jìn)機(jī)。
當(dāng)振鏡的響應(yīng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU數(shù)據(jù)傳輸速率，同步和異步之間的輸出差異將忽略，該系統(tǒng)也可采用異步輸出。
?雙極性輸出
振鏡的轉(zhuǎn)動不僅與輸出模擬電壓大小有關(guān)，而且與輸出模擬電壓的極性有關(guān)。所以在每個DAC后要用兩個運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)雙極性輸出，如圖2所示。雙極性輸出是在單極性輸出的基礎(chǔ)上再加一級電壓放大器，最終輸出的電壓為。
本系統(tǒng)中VREF=+5V，所以輸出的雙極性電壓范圍為±5V。當(dāng)單片機(jī)向DAC0832輸出的數(shù)字量為0H(0)時，VOUT2=-5V；當(dāng)輸出的數(shù)字量為80H(128)時，VOUT2=0；當(dāng)輸出的數(shù)字量為FFH(255)時，VOUT2=+5V。
軟件系統(tǒng)
?AUTOCAD 的PLT文件
獲得圖像的原始數(shù)據(jù)一個基本方法，就是通過AUTOCAD 生成的PLT文件,PLT文件記錄了圖像在屏幕上坐標(biāo)值。一般來講,對圓弧而言，就是若干個微小的線段連接而成，每一個線段都有起始兩點(diǎn),由于圓弧是許多微小線段構(gòu)成，所以坐標(biāo)點(diǎn)很多，當(dāng)激光掃描這些坐標(biāo)點(diǎn)時，就能顯示相關(guān)的圖形。PLT文件是HP繪圖儀的命令語句， PLT 文件由幾乎可讀的ASCII碼組成，容易生成和調(diào)試。
對其中一些重要參數(shù)的解釋:
IN (initial):初始化，設(shè)置所有參數(shù)，將畫筆移至原點(diǎn)。
SC (scale)：定標(biāo)，坐標(biāo)值的范圍。
LT (line type):線型，一般為實(shí)線。
SP (select pen):選擇筆型。
PU (pen up):起筆。
PD (pen down):落筆。
PA (pen allocate):定位筆，其后數(shù)據(jù)是X、Y軸坐標(biāo)。
從使用角度，真正有用的是PA后的X、Y軸坐標(biāo)，也是必須轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)部分，這也是PLT文件主體部分，集中了大量數(shù)據(jù)，提取PA后的坐標(biāo)值簡化成TXT文件，再拷貝到C51程序中。
?TURBO C++ 相關(guān)程序段和解釋
該TURBO C++ 轉(zhuǎn)換程序主要功能是對PLT文件中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把不適合C51語言的PLT文件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成適合C51語言的數(shù)據(jù)格式。C51語言數(shù)據(jù)格式為0至255的十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，如：34，d6,fe 等格式，255對應(yīng)的十六進(jìn)制的數(shù)為 ff。PLT文件的數(shù)據(jù)在零到數(shù)萬正負(fù)之間，因此必須要對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
?C51程序流程圖和解析
C51程序是控制激光器的主體程序，分成三個主要部分：選擇DAC芯片，數(shù)據(jù)指針指向數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換。
這些數(shù)據(jù)代表電壓值，由于單片機(jī)數(shù)據(jù)位是8位,電壓的輸出在± 5V之間。把電壓分成256份(28)。80h對應(yīng)的是0V，ffh 對應(yīng)的是+5V，00h對應(yīng)的是- 5V。其輸出的電壓值精度就是10/256V，約為39mV。
流程圖如圖3所示。C51語言相關(guān)程序段和解釋:
1.打開激光器：把p1.4和p1.5 端口置成低電平來打開紅綠兩路激光器, 當(dāng)然也可打開其中任一路顏色的激光器，顏色合成就是通過打開不同顏色的激光器來實(shí)現(xiàn)的。
P1^=16：打開 5 V 電源，開綠激光器，關(guān)紅激光器；
P1=0xfd：打開 5 V 電源，開紅激光器，關(guān)綠激光器。
2.存貯圖形數(shù)據(jù)：
unsigned char data x[]={0x3f,0x44,0x54,0x66,0x43,0x60}；
unsigned char data y[]={0x3f,0x44,0x54,0x66,0x43,0x60}
其中，x[]和y[]分別代表圖形的X軸和Y軸的坐標(biāo)，由上述的PLT文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來。
3.選擇第一DAC：當(dāng)DAC的片選端口為低電平時,即選中。
P1^=8：即選中第一個芯片、不選第二個芯片；
P1=0xfb：即選中第二個芯片、不選第一個芯片。
4. x[]和y[]的值分別送到P0端口被DAC鎖存：
P0=x[i];
P0=y[i]
5. x[]和y[]的值同時由DAC轉(zhuǎn)換輸出。
6. 延時：光學(xué)振鏡偏轉(zhuǎn)時需要一定的時間，所以在給振鏡端口送電平時，太快則振鏡來不及響應(yīng)，太慢則影響圖形顯示速度，因此電平之間的延時要取適當(dāng)。延時值的設(shè)置相對于所用設(shè)備而言，如DAC、運(yùn)算放大器等，因此延時須考慮所用設(shè)備的性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，單片機(jī)可以控制激光廣告儀輸出動態(tài)圖像。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中，使用了綠色激光完成了動態(tài)橢圓縮放和靜態(tài)矩形的演示。動態(tài)顯示的實(shí)現(xiàn)原理是控制激光以適當(dāng)?shù)臅r間間隔依次顯示大中小三個不等的橢圓，調(diào)整顯示速度可造成動態(tài)效果，實(shí)現(xiàn)橢圓的縮放。圖4所示顯示大中小三個不等橢圓和矩形照片組。
通過圖中照片的效果，給出如下幾點(diǎn)說明：
1、橢圓圓弧光滑連貫：說明圖像中數(shù)據(jù)都被顯示出來，失真很小，在人眼觀察的允許范圍之內(nèi)，從矩形直角和圓弧封口的顯示能看出圖像中數(shù)據(jù)已經(jīng)按要求顯示。如果橢圓的圓弧不光滑連貫或直角的角度不標(biāo)準(zhǔn)，即存在失真，說明圖像中有坐標(biāo)點(diǎn)丟失。針對控制系統(tǒng)來說，就是由坐標(biāo)點(diǎn)代表的電壓值沒有全部送到光學(xué)振鏡，或者光學(xué)振鏡對端口電壓來不及反應(yīng)，而造成圖像失真。在實(shí)驗(yàn)中所用光學(xué)振鏡是0.5V/機(jī)械偏轉(zhuǎn)角，如果往振鏡端口傳輸數(shù)據(jù)太快，即延時太短，光學(xué)振鏡來不及反應(yīng)，而造成數(shù)據(jù)丟失。延時長的話，會影響輸出圖像連貫性，不是整個圖像。因此必須要考慮選擇適當(dāng)?shù)难訒r，在該控制系統(tǒng)中延時幾微秒即滿足振鏡時間要求。
2、顯示圖像的點(diǎn)數(shù)：圖像復(fù)雜程度一般是由其點(diǎn)數(shù)決定，圖形越復(fù)雜，其描述的點(diǎn)數(shù)也必然越多，因此圖像越復(fù)雜就越難顯示。這里存在兩個原因，第一，存放數(shù)據(jù)的存貯器容量有限制，不能存貯很多的數(shù)據(jù)，需要做相應(yīng)的擴(kuò)展。第二，振鏡偏有轉(zhuǎn)速和時間響應(yīng)限制。對人眼來說，要看到是一個完整的連續(xù)的圖像，當(dāng)數(shù)據(jù)很多時將花費(fèi)很多時間，使人觀測到的是不完整的圖像，而造成失真。第三單片機(jī)數(shù)據(jù)位是8位對應(yīng)256狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)很多時必須提高數(shù)據(jù)位。
3、圖像拉絲：即在顯示兩個或多個圖形時，在圖形之間存在不必要的連線。由于沒有關(guān)閉激光器而使得本來沒有聯(lián)系的圖形聯(lián)系在一起，這不是圖形失真。在程序中及時關(guān)閉激光器，就能解決這個問題，這要求激光電源有比較好的時間響應(yīng)。

結(jié)語
該控制系統(tǒng)的良好實(shí)現(xiàn)情況表明，單片機(jī)系統(tǒng)能實(shí)時控制激光廣告儀。該控制系統(tǒng)比較突出的優(yōu)點(diǎn)：第一、順利地解決以前計(jì)算機(jī)較難解決的圖像封口這一麻煩的問題，用矢量法描述圖形時，8位數(shù)據(jù)精度已經(jīng)滿足解決圖像封口要求，排除了因?yàn)閿?shù)據(jù)精度不夠而引起圖像封口的可能。第二、有比較好響應(yīng)速度，能夠滿足目前光學(xué)振鏡的響應(yīng)時間，能按要求進(jìn)行實(shí)時控制。第三、由于C51編程簡單，代碼率高，而對于機(jī)器的配置要求不高，降低了激光廣告儀的成本。對于激光在其他方面的應(yīng)用，也可采用單片機(jī)取代計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。現(xiàn)在所做的控制系統(tǒng)存貯容量是4K，已能描繪一些簡單動態(tài)圖像。當(dāng)采用高速的CPU和高容量Flash存貯器時，就能顯示復(fù)雜的圖像，乃至可能做成激光電視和激光電影。■

參考文獻(xiàn)
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