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[導(dǎo)讀]摘 要:本設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)博物館藏品防盜和保護(hù)的智能化。以微處理器為核心,利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的彩色圖像傳感器LM9628和溫度傳感器LM19進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控,并控制報(bào)警系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)以及進(jìn)行圖像處理。關(guān)鍵詞:圖像傳

摘 要:本設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)博物館藏品防盜和保護(hù)的智能化。以微處理器為核心,利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的彩色圖像傳感器LM9628和溫度傳感器LM19進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控,并控制報(bào)警系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)以及進(jìn)行圖像處理。關(guān)鍵詞:圖像傳感器;溫度傳感器;AVR單片機(jī);CPLD [b]引言 [/b] 博物館內(nèi)的藏品常常受到人為盜竊的威脅,周圍環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)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(diào)系統(tǒng),本設(shè)計(jì)的目的就是實(shí)現(xiàn)對(duì)館藏品的智能化防盜和保護(hù)。博物館關(guān)閉時(shí)便可將此防盜保護(hù)器啟動(dòng),通過CMOS傳感器對(duì)博物館進(jìn)行掃描,圖像信號(hào)在微處理器中進(jìn)行處理篩選壓縮,并與被監(jiān)控信號(hào) (人形信號(hào))進(jìn)行比較,一旦出現(xiàn)類人形信號(hào),便將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)(這樣可以大大節(jié)省存儲(chǔ)空間),并進(jìn)行報(bào)警。被監(jiān)控信號(hào)可以增加,可以是其它任何可能對(duì)館藏品造成損害的動(dòng)物,只不過在進(jìn)行篩選比較處理時(shí)要復(fù)雜一些。另外,通過溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)控,通過控制館內(nèi)空調(diào)來達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的效果,以避免館內(nèi)文物因?yàn)闇囟鹊淖兓斐蓳p害。


圖1 系統(tǒng)功能框圖 [b]硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) [/b]器件的選擇 本設(shè)計(jì)需要對(duì)博物館內(nèi)的情況進(jìn)行大范圍適時(shí)監(jiān)控并采集圖像數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,因此核心器件應(yīng)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(shí)現(xiàn)適時(shí)監(jiān)控,要求圖像傳感器的數(shù)據(jù)率(轉(zhuǎn)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(diǎn):可檢測(cè)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(yù)測(cè)的溫度曲線誤差。 AVR高速單片處理器 本文采用了ATMEGA16單片機(jī)作為核心處理器,MEGA16可外接16MHz晶振,單位時(shí)鐘內(nèi)可以執(zhí)行一條指令,內(nèi)含RAM和EEPROM,并且含8 通道10位ADC。基本可以達(dá)到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制的要求。 系統(tǒng)構(gòu)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(hào)(8位,10位或者12位)通過并行數(shù)據(jù)線經(jīng)接口電路存入存儲(chǔ)器,微處理器將存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)取出并進(jìn)行分析處理(同時(shí)檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)), 然后控制訊響系統(tǒng)和相關(guān)空調(diào)接口。 圖像采集部分 因?yàn)镃MOS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(dú)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(shù))。同時(shí),為了便于焊接,在畫元件封裝圖時(shí)最好將引腳在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再延長(zhǎng)2個(gè)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(gè)1/ 3”的光學(xué)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(shí)注意調(diào)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(fù)時(shí)需要定位輸出, 因此采用CMOS傳感器的主工作模式,同時(shí)檢測(cè)其輸出的像素時(shí)鐘、行時(shí)鐘、場(chǎng)時(shí)鐘,存儲(chǔ)時(shí)加入定位信息以保證數(shù)據(jù)的有效性以便正確恢復(fù)。由于MEGA16 可以快速處理8位數(shù)據(jù),因此通過設(shè)置CMOS內(nèi)部寄存器PixDataSel 和PixDataMsb(將PixDataSel設(shè)置為10h,8位模式,數(shù)字視頻輸出d[11..3]有效;將PixDataMsb設(shè)置為11h,8位模式,內(nèi)部視頻ADC的高8位有效),將低4位數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽,直接輸出8位圖像數(shù)據(jù)。為了加快調(diào)試過程,可利用CMOS傳感器具有采集窗口大小可以調(diào)整的特點(diǎn),將采集窗口的像素設(shè)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(shí)現(xiàn),都需要通過 I2C總線對(duì)內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行設(shè)定,內(nèi)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(shí)序的實(shí)現(xiàn)很重要,必須嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)所給定時(shí)關(guān)系來實(shí)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(shè)計(jì)采用的是3.3V穩(wěn)壓二極管,保證傳感器有最大的動(dòng)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(yùn)放進(jìn)行放大,否則會(huì)被處理器引腳電壓驅(qū)動(dòng)為高電平或者低電平,以致于不能準(zhǔn)確采集到電壓信號(hào)。本文采用的運(yùn)放器件是LMC6035。調(diào)試時(shí)應(yīng)該注意,LM19是負(fù)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(yùn)放的電阻參數(shù),使輸出有合適的動(dòng)態(tài)范圍。 存儲(chǔ)器及其接口電路 為了避免系統(tǒng)突然掉電導(dǎo)致監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的丟失,存儲(chǔ)器件采用了AM29F002,它是一款Flsah ROM,存取數(shù)據(jù)速度相當(dāng)快,掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。設(shè)計(jì)中用了兩塊存儲(chǔ)器,總存儲(chǔ)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(chǔ)要求。因?yàn)閳D像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)要直接存入存儲(chǔ)器,同時(shí)處理器也要對(duì)存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫,而采用的處理器直接尋址范圍有限,只能進(jìn)行8位尋址,因此需要較復(fù)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(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。 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(gè)功能。外圍控制接口電路包括訊響部分、空調(diào)控制顯示部分和串口電路。 電源電路設(shè)計(jì) 以盡量減小功耗為目的,整個(gè)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(jiǎn)單,在此就不給出原理圖了。 [b]軟件程序的設(shè)計(jì) [/b] 由于整個(gè)系統(tǒng)有單片機(jī)的控制與數(shù)據(jù)處理,也有PC機(jī)的圖形處理,還有接口邏輯設(shè)計(jì),因此軟件調(diào)試既包括AVR單片機(jī)程序調(diào)試,也包括PC機(jī)程序的調(diào)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(jìn)行編寫。 AVR單片機(jī)部分的程序設(shè)計(jì)要完成對(duì)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(jī)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(fù)模塊等,程序相對(duì)來說比較復(fù)雜,程序段也比較長(zhǎng),在此就不給出了。 結(jié)語 本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、智能化、功耗低等特點(diǎn)。雖然是為專用用途而設(shè)計(jì),實(shí)際上它適用于任何需要圖像和溫度監(jiān)控的場(chǎng)合,比如普通家庭的防盜及室內(nèi)溫度調(diào)節(jié),游泳館的水溫控制及防溺水等。由于時(shí)間有限,設(shè)計(jì)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(fù)等還需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。

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