基于cmos图像传感器的视觉导航智能小车设计毕业论文(编辑修改稿)

基于cmos图像传感器的视觉导航智能小车设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

LM2940 低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点。 与其它的稳压芯片一样， LM2940 需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。 出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个 22uF低等效电阻的电容器。 舵机额定工作电压是 6V，此时舵机的滞后常数很大，在毫秒级上。 我们测量了电机的内阻（不考虑感性因素）为 2Ω，综合电机的功率以及电池电压10%的波动，简单计算了一下在 9V 以下电 机 都能工作。 经过大量的测试，最终发现在电池电压不低于 时，舵机电源使用 7V 时，舵机的滞后常舵机 控制器编码器 传感器 5V 5V 7V 电 池 10 数将大大减小。 灵敏性将大大提高，所以舵机使用 7V电源。 使用两片 LM2940分别向传感器、控制器和编码器供电。 使用一片 LM2940 和 3 个整流二极管1N4007 将电压抬高到 7V 向舵机供电。 为了防止电源电压接反，利用二极管D1作为防反接保护二极管。 电路图如图 5 所示 控制 电路 此部分是整个智能小车的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。 控制的方法有很多，但大多选用单片机作为控制。 由于 51 单片机具有 价格低廉操作简单的特点 ，这里选择 ATMEL 公司成产的 AT89C51 作为控制的核心部件 .其管脚定义如下： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器 能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 11 为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 管脚 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 EA/VPP ：当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出 单片机管脚如图 6 所示： 12 V c c4 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7/ E AA L E/ P S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 01234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R E S E TP 3 . 0P 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 4P 3 . 5P 3 . 6P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V s s 对于单片机的晶振电 路和复位电路的设计如下图 7： 13 30pf3 0 p fC1C 2G N D1 1 . 0 5 9 2 mX T A L 1 X T A L 2 晶振电路 2 0 01 k1 0 u f+R S T 复位电路 循迹 电路 本文采用的 CMOS 摄像头是一种以 CMOS 感光器件为主的高分辨率、低功耗图像传感器，为了减少硬件系统开销，选用数据量较少的黑白摄像头也可满足要求。 面阵 CMOS 摄像头采用行扫描模式，每行信号为持续约 56us 的电压模拟量，根据采样点的灰度值输出不同电平，并经过 A/D 转换输入控制器。 由于赛道是白色背景黑色引导线， 为区分黑线和白色赛道背景并过滤其他干扰信息，可取黑、白两个阈值带分别对应于黑色引导线与白色背景的值。 确定阈值带的宽度和基值时应考虑不同光线和不同摄像头型号，以满足在各种光线条件下谁都能准确识别黑色引导线。 循迹模块采用 CMOS 图像传感器作为采集视频信号的主控芯片。 由于 CCD目前的技术比较成熟，在尺寸方面也具有一定的优势（由于工艺方面的原因CMOS 的尺寸无法做的很大），但其工艺复杂、成本 高、耗电量大、像素提升难度大等问题也是不可否认的。 而 CMOS 由于制造工艺简单，因此可以在普通半导体生产线上进行生产，其制造 成本比较低廉。 故采用 CMOS 图像传感器。 OV7620 是一款 CMOS 摄像头器件，是一款彩色 CMOS 型图像采集集成芯片，提供高性能的单一小体积封装，该器件分辨率可以达到 640X480，传输速率可以达到 30 帧。 内置 10 位双通道 A/D 转换器 ,输出 8 位图像数据。 具有 14 自动增益和自动白平衡控制 ,能进行亮度、对比度、饱和度、 γ 校正等多种调节功能。 其视频时序产生电路可产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种时序信号。 5V 电源供电 ,工作时功耗 120mW,待机时功耗 10μW。 它支持连续和隔行两种扫描方式 ， VGA 与 QVGA 两种图像格式；最高像素为 664492，帧速率为 30fps；数据格式包括 YUV、 YCrCb、RGB 三种，能够满足一般图像采集系统的要求。 OV7620 图像传感器的管脚图如下 图 8： OV7620 内部可编程功能寄存器的设置有上电模式和 SCCB 编程模式。 OV7620 的控制采用 SCCB(Serial Camera ControlBus)协议。 SCCB 是简化的 I2C协议， SIOI 是串行时钟输入线， SIOO 是串行双向数据线，分别相当于 I2C 协议的 SCL 和 SDA。 SCCB 的总线时序与 I2C 基本 相同，它的响应信号 ACK 被称为一个传输单元的第 9 位，分为 Don’t care 和 NA。 Don’t care 位由从机产生； NA位由主机产生，由于 SCCB 不支持多字节的读写， NA 位必须为高电平。 另外， 15 SCCB 没有重复起始的概念，因此在 SCCB 的读周期中，当主机发送完片内寄存器地址后，必须发送总线停止条件， 不然在发送读命令时，从机将不能产生 Don’t care 响应信号。 OV7620 功能寄存器的地址为 0x00～ 0x7C(其中，不少是保留寄存器 )。 通过设置相应的寄存器，可以使 OV7620 工作于不同的模式。 例如，设置 OV7620 为连续扫描、 RGB 原始数据 16 位输出方式，需要进行如下设置： I2CSendByte()为写寄存器函数，它的第 1 个参数 OV7620 为宏定义的芯片地址 0x42，第 2 个参数为片内寄存器地址，第 3 个参数为相应的寄存器设定值。 OV7620有 4个同步信号： VSYNC(垂直同步信号 )、 FODD (奇数场同步信号 )、HSYNC(水平同步信号 )和 PCLK(像素同步信号 )。 当采用连续扫描方式时，只使用 VSYNC 和 HSYNC、 PCLK 三个同步信号，还引入了 HREF 水平参考信号。 LPC2210 的 3 个外部中断引脚分别 作为 3 个同步信号的输入，相应的中断服务程序分别为 Vsync_IRQ()、 Hsync_IRQ()和 Pclk_IRQ()。 在内存中定义一个二维数组存储图像数据，一维用变量 y 表示，用于水平同步信号计数；二维用变量 x表示，用于像素同步信号计数。 图像采集的基本流程 当用 SCCB 初始化好 OV7620 后，使能 VSYNC 对应的中断，在 Vsync_IRQ()中断服务程序中判断是否已取得一帧数据。 若是，则在主程序的循环体中进行数据处理；若不是，则使能 HSYNC 对应的中断，并将 y 置为 O。 在 Hsync_IRQ()中断服务程序中， 判断 HREF 的有效电平，若有效，则 y 加 1， x 置为 O，并使能 PCLK 对应的中断。 在 Pclk_IRQ()中断服务程序中，判断 HREF 的有效电平，若有效，则 z 增加，同时采集一个像素点的图像数据。 在 OV7620 的 3 个同步信号中， PCLK 的周期最短。 当 OV7620 使用 27 MHz的系统时钟时，默认的 PCLK 的周期为 74 ns。 而 LPC2210 的中断响应时间远远大于这个值。 LPC2210 的最大中断延迟时问为 27 个处理器指令周期，最小延迟时问为 4 个指令周期，再加上中断服务时间、现场恢复时间等，完成一次中断响应的时问要 大于 7～ 30 个指令周期。 当 LPC2210 使用最高系统频率 60 MHz 时，它的中断响应时间远大于 O． 2～ 0， 6 us，所以只能将 OV7620 的 PCLK 降频。 通过设置时钟频率控制寄存器，可将 PCLK 的周期设为 4us 左右。 OV7620 采用 16 位输出方式时， Y通道和 UV 通道数据输出格式如表 l 所列。 从表 l 中可以看出，每一行 Y 通道和 UV 通道交替输出上一行重复数据和本行新数据。 而在一行之内， B 数据只在奇数列出现， R 数据只在偶数列出现。 表 1 ov7620 16 位输出格式 R C 1 2 3 4 …… 通道 1 …… UV B11 G12 B13 G14 …… Y 2 G21 R22 G23 R24 …… UV B11 G12 B13 G14 …… Y 16 3 G21 R22 G23 R24 …… UV B31 G32 B33 G34 …… Y CMOS 图像传感器的工作原理图如图 9 所示： 光 敏 单 元 阵 列 行 选 择模 拟 数 字 转 换 电 路模 拟 信 号 处 理 电 路列 选 及 放 大视 频 时 序 产 生 电 路 曝 光 、 白 平 衡 等 控。