基于单片机的图像采集系统设计

目录0前言.................................................................11总体方案设计..........................................................12系统硬件设计.........................................................33软件设计.............................................................93.1软件设计概述....................................................93.2程序流程图......................................................93.3子程序模块设计.................................................104系统调试及结果分析...................................................115结论及进一步设想.....................................................14参考文献..............................................................14课程设计体会..........................................................15附录1元件清单.......................................................16附录2系统电路图.....................................................17附录3源程序.........................................................18沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第1页基于单片机的图像采集系统刘杰薇沈阳航空航天大学自动化学院摘要：传统的工业级图像处理采集系统大多是由CCD摄像头、图像采集卡和PC机组成，虽已得到了广泛的应用，但是它具有结构复杂，成本高，体积大，功耗大等缺点。随着单片机的迅速发展，开发一种智能控制及智能处理功能的微型图像处理采集系统成为可能，并且也克服了传统图像处理采集系统的诸多缺点。本设计的图像采集系统采用AT89C51单片机为中心器件，利用74LS373寄存器、62256存储器。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现对摄像头传输的图像信号的采集，并保存在外置存储芯片中。其中软件系统采用C语言编写程序，包括延时程序、地址顺延程序等，硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现，简单切易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。关键字：单片机；图像采集；数字摄像头0前言近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动着传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还要根据具体的硬件结构，以及针对具体的应用对象的软件结合，加以完善。数字图像采集由于其大数据量通常采用DSP等高速处理器来实现。在某些领域方面图像实时性的要求并没有那么高，因此，本文采用STC89C51单片机作为控制器进行图像采集。1总体方案设计方案一：由于C51单片机的RAM存储容量有限，而且受到C51单片机的IO工作频率的限制，直接通过C51单片机采集完整一帧的数字信号很难实现。因此，在C51单片机和数字摄像头之间加入一个先进先出存储器，由PC端通过串口控制C51单片机启动采集信号，采集一帧数据先放入存储器，然后单片机从存储器读出数据并通过串口发送至PC显示。整体设计框图如下：沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第2页图1系统整体框图整个系统由OV7670感光元件，先进先出存储器AL422B,STC89C51单片机，以及其他外围电路构成。OV7670是由omnivision公司产生的图像感光元件，其主要提供了D0-D7八个数字像素输出信号。AL422B这个先进先出的DRAM数据存储器主要用于存放完整的一帧OV7670的图像数据。在系统初始化后，等待上位机发出采集命令或配置寄存器命令，若接收到采集命令则在启动一帧采集，开始往AL422B写入数据，在外部中断检测到下一个下降沿的时候发出采集一帧结束标志符，结束一帧数据写入。方案二：由STC12LE5A60S2单片机和OV7670图像传感器及相应的外接电路组成。其硬件电路如图2所示。图2SO图像采集系统硬件电路图STC12LE5A60S2单片机和OV7670图像传感器的输入电压均为3．3V，由于多数的供电装置提供的直接电压为5V，系统增加了5V转3．3V电压转换电路。STC12LE5A60S2单片机的内存储器仅为1280Byte，不足以存储一幅用于处理与识别的数字图像，因此，沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第3页系统外接了32KB的存储器BS62LV256用于存储像素灰度值。由于单片机资源限制，P0口既作为数据输入口，又作为数据输出口，通过使用74HC573锁存器扩展端口资源。系统的外接电路多，降低了系统的抗干扰性，同时采集到的图像数据传输途径长，降低了系统速度。方案确定：以前并未接触过STC12LE5A60S2单片机，短时间也不容易掌握，所以还是选择基于51单片机来完成此次课程设计要求。由于C51单片机的RAM存储容量有限，而且受到C51单片机的IO工作频率的限制，直接通过C51单片机采集完整一帧的数字信号很难实现，而在protues仿真中并未找到先进先出存储器AL422B,如果采用方案一，仿真会出现一定困难。因此，在本次课程设计中，我选择扩展一个62256数据存储器，用来存储摄像头输出的有用的数字信号。摄像头输出的信号不存储在单片机中，存在扩展的62256数据存储器中，也为之后需要扩展其他功能提供了便利条件。如下图所示：图3图像采集装置系统框图2系统硬件设计2.1硬件设计概述整个图像采集装置由数字摄像头、图像采集系统两个个模块组成。2.2数字摄像头概述摄像头可以分为两类，若图像数据是在摄像头和采集卡两部分完成数字化的，此摄像头就是模拟摄像头；然而若是在摄像头内部完成数字化的则是数字摄像头。数字摄像头不仅可以减少图像的噪音，而且与模拟摄像头相比，它更显著的提高了摄像头的信噪比、增加了摄像头的动态范围以及最大化图像灰度范围。目前，摄像头的研究围绕数字摄像头展开。数字摄像头的芯片主要分为CCD和CMOS两种。CCD（ChargeCoupledDevice），又称为电荷耦合器件，以百万像素为单位。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。此类摄像头与胶卷的原理相似，数字摄像头（OV6620传感器）图像采集系统（单片机）外扩存储器数据总线等数据总线等沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第4页即光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但又有不同，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力，因此所有图形数据都会不停留地送入一个A/D转换器，一个信号处理器以及一个存储设备如内存芯片或内存卡等。CCD有各式各样的尺寸和形状，其中，最大的有2×2平方英寸。CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，又叫做互补金属氧化物半导体。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一，在今后的发展应用中有着举足轻重的地位。数字摄像头中的图像传感器是其主要元器件，依据CCD与CMOS芯片构成的两种在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的传感器，即：（1）在内部结构（传感器本身的结构）上，CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本；CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。（2）在外部结构（传感器在产品上的应用结构）上，CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，运行速度较慢，而CMOS光电传感器在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，运行速度比CCD电荷耦合器快很多。除此之外，CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。从上述两种数字摄像头的对比中可以得出，COMS数字摄像头满足设计的三条原则，安全可靠、集成度高、高性能、低噪音、成本低廉、经济实惠等。综上，本设计采用CMOS数字摄像头。本设计中采用的数字摄像头主要由OV6620图像传感器构成，具体如图4所示。沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第5页图4数字摄像头OV6620OV6620摄像头模块采用OV6620彩色数字CMOS图像传感器，其图像是PAL制，一帧图像为352×288像素，数据格式为YCrCb4:2:2GRB42:2和rawGRB。OV6620的优点：供电电压低，简化电路；内部集成A/D和视频分离模块，简化电路，并且使得采集程序简单，采集质量高；视频信号转换在内部进行，减轻单片机负担。OV6620传感器包括一个356×292分辨率的图像阵列，一个模拟信号处理器，双8位模/数转换器，模拟视频复用器，数字数据格式器和视频端口，SCCB接口和寄存器，数字控制包括时钟模块、曝光和黑白平衡。3.摄像头与单片机的连接由于未做硬件部分，并且摄像头与单片机的连接部分并未能从protues仿真中看出，为了简化此课程设计，本次研究内容是从8位数据总线之后的部分开始进行研究的。图5摄像头与单片机连接框图时钟信号片选信号CMOS摄像头OV6620I2C总线控制同步信号8位数据总线沈阳航空航天大学课程设计论文基于单片机的图像采集系统第6页2.3图像采集系统概述本系统中，硬件电路主要有电源电路，晶振电路，复位电路，采集开关，存储电路，以及一些按键电路等。（1）单片机简介本系统设计采用AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容（由于在微机原理中学过C-51的具体知识，这里不再详细说明）。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效的微控制器。（2）电源电路电源电路是系统最基本的部分，任何电路都离不开电源部分，由于三端集成稳压器件所组成的稳压电源线路简单，性能稳定，工作可靠，调整方便，已逐渐取代