博物館智能防盜保護器系統(tǒng)設計

摘  要：本設計的目的是實現(xiàn)博物館藏品防盜和保護的智能化。以微處理器為核心，利用美國國家半導體的彩色圖像傳感器LM9628和溫度傳感器LM19進行環(huán)境監(jiān)控，并控制報警系統(tǒng)和空調系統(tǒng)以及進行圖像處理。
關鍵詞：圖像傳感器；溫度傳感器；AVR單片機；CPLD

引言
    博物館內的藏品常常受到人為盜竊的威脅，周圍環(huán)境的變化也會對其造成破壞，因此需要極為可靠的防盜系統(tǒng)及完善的空調系統(tǒng)，本設計的目的就是實現(xiàn)對館藏品的智能化防盜和保護。博物館關閉時便可將此防盜保護器啟動，通過CMOS傳感器對博物館進行掃描，圖像信號在微處理器中進行處理篩選壓縮，并與被監(jiān)控信號(人形信號)進行比較，一旦出現(xiàn)類人形信號，便將數(shù)據(jù)進行存儲(這樣可以大大節(jié)省存儲空間)，并進行報警。被監(jiān)控信號可以增加，可以是其它任何可能對館藏品造成損害的動物，只不過在進行篩選比較處理時要復雜一些。另外，通過溫度傳感器對溫度信號進行采集監(jiān)控，通過控制館內空調來達到調節(jié)溫度的效果，以避免館內文物因為溫度的變化而造成損害。

圖1  系統(tǒng)功能框圖

硬件系統(tǒng)設計
器件的選擇
    本設計需要對博物館內的情況進行大范圍適時監(jiān)控并采集圖像數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進行處理，因此核心器件應包括圖像傳感器、溫度傳感器和微處理器。
圖像傳感器

    為了實現(xiàn)適時監(jiān)控，要求圖像傳感器的數(shù)據(jù)率(轉換速度)比較快、分辨率比較高，本文選用了彩色CMOS傳感器LM9628。

溫度傳感器
    本文采用了高精度溫度傳感器LM19，它具有以下主要特點：可檢測的溫度變化范圍最大為-55℃~+130℃；溫度變化呈良好的線性度；可預測的溫度曲線誤差。

AVR高速單片處理器
    本文采用了ATMEGA16單片機作為核心處理器，MEGA16可外接16MHz晶振，單位時鐘內可以執(zhí)行一條指令，內含RAM和EEPROM，并且含8通道10位ADC?；究梢赃_到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制的要求。

系統(tǒng)構成原理
    系統(tǒng)要具有采集、處理、傳輸、控制等功能，其組成功能框圖如圖1所示。在處理器的控制下，CMOS傳感器的圖像數(shù)字信號(8位，10位或者12位)通過并行數(shù)據(jù)線經接口電路存入存儲器，微處理器將存儲器內的數(shù)據(jù)取出并進行分析處理(同時檢測溫度數(shù)據(jù)), 然后控制訊響系統(tǒng)和相關空調接口。

圖像采集部分
    因為CMOS傳感器采集部分在使用過程中需要合適的安裝位置，因此單獨把它布線到了一塊小電路板上,稱之為采集頭板。 需要注意的是LM9628采用48引腳的LCC封裝，在焊接上有一定難度(本文用15W尖嘴小烙鐵，采用拖焊技術)。同時，為了便于焊接，在畫元件封裝圖時最好將引腳在數(shù)據(jù)手冊中給出的標準數(shù)據(jù)基礎上再延長2個毫米。 另外，為了能采集到完整的圖像，還需要在頭板CMOS傳感器的上方裝一個1/ 3”的光學成像透鏡，使投影到感光陣列上的圖像盡可能完整,在安裝時注意調整合適的焦距以及光柵的大小。由于采得的圖像數(shù)據(jù)恢復時需要定位輸出, 因此采用CMOS傳感器的主工作模式，同時檢測其輸出的像素時鐘、行時鐘、場時鐘，存儲時加入定位信息以保證數(shù)據(jù)的有效性以便正確恢復。由于MEGA16可以快速處理8位數(shù)據(jù)，因此通過設置CMOS內部寄存器PixDataSel 和PixDataMsb(將PixDataSel設置為10h，8位模式，數(shù)字視頻輸出d[11..3]有效；將PixDataMsb設置為11h，8位模式，內部視頻ADC的高8位有效)，將低4位數(shù)據(jù)進行屏蔽，直接輸出8位圖像數(shù)據(jù)。為了加快調試過程，可利用CMOS傳感器具有采集窗口大小可以調整的特點，將采集窗口的像素設置的比較小，從而減少了所要處理的數(shù)據(jù)量。這些功能的實現(xiàn)，都需要通過 I2C總線對內部控制寄存器進行設定，內部一些寄存器狀態(tài)的讀出也需要通過I2C總線，因此I2C總線的讀寫時序的實現(xiàn)很重要，必須嚴格按照數(shù)據(jù)手冊所給定時關系來實現(xiàn)。

溫度采集電路
    為了保證良好的線性度，必須給溫度傳感器LM19的輸入端提供穩(wěn)定的直流電壓，本設計采用的是3.3V穩(wěn)壓二極管，保證傳感器有最大的動態(tài)范圍，即-55℃~+130℃。傳感器輸出電流很小(幾十微安),因此需要加運放進行放大，否則會被處理器引腳電壓驅動為高電平或者低電平，以致于不能準確采集到電壓信號。本文采用的運放器件是LMC6035。調試時應該注意，LM19是負溫度系數(shù)的溫度傳感器，即溫度越高，輸出電壓越低；反之，溫度越低，電壓越高，因此要合理選擇運放的電阻參數(shù)，使輸出有合適的動態(tài)范圍。

存儲器及其接口電路
    為了避免系統(tǒng)突然掉電導致監(jiān)控數(shù)據(jù)的丟失，存儲器件采用了AM29F002，它是一款Flsah ROM，存取數(shù)據(jù)速度相當快，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。設計中用了兩塊存儲器，總存儲量為2¹⁸*2=524288，而一幀圖像的最大有效數(shù)據(jù)量為648*448=290304，基本上可以滿足存儲要求。因為圖像傳感器輸出的數(shù)字信號要直接存入存儲器，同時處理器也要對存儲器里的數(shù)據(jù)進行讀寫，而采用的處理器直接尋址范圍有限，只能進行8位尋址，因此需要較復雜的控制邏輯，本文采用CPLD器件EPM7128來解決這一問題，通過軟件編程簡化硬件設計。

處理器及外圍控制電路
    處理器部分是系統(tǒng)的核心，它具有控制和處理兩個功能。外圍控制接口電路包括訊響部分、空調控制顯示部分和串口電路。

電源電路設計
    以盡量減小功耗為目的，整個系統(tǒng)采用了兩種供電電源：3.3V 和 5V。3.3V穩(wěn)壓模塊采用的是CZ1585CT，5V穩(wěn)壓模塊采用的是MC7805T。由于現(xiàn)在穩(wěn)壓電源集成度比較高，電路組成也比較簡單，在此就不給出原理圖了。

軟件程序的設計
    由于整個系統(tǒng)有單片機的控制與數(shù)據(jù)處理，也有PC機的圖形處理，還有接口邏輯設計，因此軟件調試既包括AVR單片機程序調試，也包括PC機程序的調試，還有硬件邏輯的描述，前兩種程序的編寫均使用C語言，后一種采用硬件描述語言VHDL進行編寫。

    AVR單片機部分的程序設計要完成對CMOS器件的控制，溫度和圖像的采集與處理以及圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

    PC機圖像處理程序主要完成圖像數(shù)據(jù)的接收、分析處理以及圖像的顯示，主要程序模塊有圖形顯示模塊，UART通信模塊，圖像恢復模塊等，程序相對來說比較復雜，程序段也比較長，在此就不給出了。

結語
    本系統(tǒng)具有實時性強、智能化、功耗低等特點。雖然是為專用用途而設計，實際上它適用于任何需要圖像和溫度監(jiān)控的場合，比如普通家庭的防盜及室內溫度調節(jié)，游泳館的水溫控制及防溺水等。由于時間有限，設計中還存在著很多缺陷與不足，在很多方面如圖像數(shù)據(jù)的傳輸、圖像的恢復等還需要進一步的改進與完善。