单片机摄像头数据采集与处理毕业设计论文

单片机摄像头数据采集与处理毕业设计论文内容摘要：

本功能模块，完成系统的整体方案设计。 基于图像处理的相关方案 图像处理相关理论 自然界一般的图像都是模拟图像，处理器不能直接处理模拟信号，图像采集是处理器借助各种图像传感器获取数字的场景图像的过程，因此需要图像传感器将模拟图像通过采样和量化的过程数字化。 (1)彩色模型。 常见的面向硬件设备的彩色模型有 RGB 模型、 YUV 模型；根据三基色理论，任何颜色都可以用三基色即红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)按照不同的强度匹配。 常见的 RGB 格式有 RGB88 RGB55RGB565。 YUV 色彩模型来源于 RGB 模型，其特点是将亮度与色度分开，便于应用到图像处理中 [6]。 RGB 与 YUV 相互转化的公式如下： 图 21 RGB 与 YUV 格式的相互转化公式 本系统首先采用 RGB565 格式通过摄像头来采集数据，即用 5 位表示红色、 6 位表示绿色、5 位表示蓝色，共 16 位，占 2 个字节或 32 位系统中的半字。 随后通过 RGB 与 YUV 相互转化的公式将其转化为 YUV422 的格式，共 8 位，占 1 个字节，这样既有利于通过串口传输到上位机，也有利于在单片机中对图像进行检测，使得整个过程快捷方便，精度高。 (2)像素。 模拟的图像经过数字图像传感器采样后，把空间上连续的图像转化为离散的采样点，即像素。 若干个像素按照逐行逐列的排列，来表示该位置画面的色彩及亮度情况。 若采样结果每行像素为 M个，每列像素为 N 个，则组成了一个像素的阵列，整幅图像的大小为 M*N 个像素。 如本系统中使东南大学毕业设计（论文）报告 第 2 章 总体设计 . 4 . 用的图像传感器采集的图像大小为 320*240[7]。 图像采集 图像输入设备主要包括镜头、传感器、 A/D 转换器、处理器等 4 个部分。 数字图像传感器分为两种，一种是电荷耦合器件（ CCD）作为光电转换器，另一种是互补型金属氧化物半导体（ CMOS）作为光电转换器。 CMOS 技术早期常用于数据存储技术，其制造成本和功耗都低于 CCD。 随着半导体技术的发展， CMOS 技术逐渐应用于视频产品中，并且成像通透性、色彩还原性也逐渐媲美 CCD 传感器。 对比两种图像传感器， 本 系统选择性价比较高的 CMOS 图像传感器，节省了资源与图像预处理的复杂性，模块配有可调焦镜头以满足数码管图像检测的要求。 图像 处理 图像经过采样和量化后，一幅图像可以用数字化表达， 通过处理器对数字信号的进一步处理，提取出所需要的信息。 在 本 系统中，图像处理主要包括平滑滤波，阈值分割，局部提取等。 控制方案设计 在控制方案设计中，处理器的选择和图像处理解决方案的确定是工作重点，正确的配置核心处理器和控制方案对图像采集、图像处理的性能起着重要作用。 处理器的选型 各种处理器在计算机技术的基础上有着自身的优势，其软件硬件便于剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等参数有严格要求的系统。 比如以 X86 为代表的嵌入式处理器，以 51 系列单片机为代表的微控制器，以 Texas Instrument 公司的 TMS320 为代表的 DSP 处理器，以及 ARM处理器。 其中，单片机是将一个小型的计算机系统集成到一个芯片中，以处理器为核心，内部集成了 ROM、 RAM、总线、定时器、通信接口等功能，大大降低了功耗和成本，提高了系统的可靠性。 由于本系统只需要简单地图像采集与处理，单片机可以满足低速的运行， 非常适合本系统。 图像处理解决方案 （ 1） DSP 方案。 DSP 适合数字信号处理的一些复杂算法实现，其采用哈佛体系结构，指令和数据分开，有很强的数据处理能力，但其控制能力薄弱，一般 DSP 专门用于信号处理，还需要配合另外 控制器做控制，如配合 FPGA 联合工作，弥补了 DSP 在并行数据处理和总线控制方面的劣势， DSP 负责完成信号处理、算法实现、数学运算等功能，能实现实时采集与处理图像；但此高性能也意味着高成本，并且 DSP 与 FPGA 编程和算法实现比较复杂，难以实现。 （ 2）单片机方案。 单片机系统由于数据处理能力有限和功能相对简单，主要适用于测控系统，能低成本地完成工控要求，并不适用于数据量较大的图像处理系统。 本系统在控制部分将采用单片东南大学毕业设计（论文）报告 第 2 章 总体设计 . 5 . 机系统完成图像检测系统控制。 系统可行性分析 随着计算机技术和半导体存储技术的快速发展， 数字图像处理技术在各个应用领域获得了广阔的发展空间。 与人眼视觉相比，基于数字图像处理技术和机器视觉技术的图像采集处理系统能有效克服人眼的主观性、局限性和模糊性。 因此，将数字图像处理技术用于数码管的检测具有一定的可行性。 数字图像处理包括图像采集与图像处理两大部分：图像采集包括图像传感器对图像的数字化、彩色模型的选取等；图像处理包括 平滑滤波，阈值分割，局部提取等。 系统通过 CMOS 图像传感器采集图像，将数据存储到 FIFO 中，然后通过图像处理的方式将图像阈值分割，从而得到图像的各部分 亮度 信息，经过一定的图像处理 算法进行 局部提取 就能得出数码管局部信息，通过检测算法就能得出数码管局部亮度值。 因此，基于图像处理技术的数码管检测系统具有较强的实用性和可行性 [8]。 系统方案设计 针对数码管检测系统的控制需求，电表数码管的数值变化速度不快，所以对检测系统的实时性要求不高，为追求最高性价比，本系统采用单片机控制方案：由单片机负责图像传感器的总线控制，将采集到的数字信号存储到 FIFO 中，由单片机负责图像处理和显示模块。 由于单片机处理器数据处理能力有限，同时负担图像采集、存储和图像处理，实时性难以保障，图像会存在延时的现象。 针对 数码管检测对实时性要求不高的特点，系统采用静态图像采集、静态图像处理的控制方案，在确定外界因素后，停止采集图像信号，完成类似数码照相机的“拍照”功能，将此图像的数据存于FIFO 中，由处理器对其进行一系列图像处理与亮度计算，最终得出亮度值并且能显示和传输，从而达到数码管 检测的需求 [9]。 装置的组成及工作原理 图像处理系统按功能划分为 单片机、 控制器、图像采集、数据缓存、实时显示和上位机通信六个部分。 东南大学毕业设计（论文）报告 第 2 章 总体设计 . 6 . 单 片 机 处 理 器图 像处 理器数 据 缓 存上 位 机显 示 控 制 图 22 系统装置的组成 本系统基于单片机通过软件编程设置 OV7670 摄像头内部参数采集图像，并将采集到的图像转换为数字信号存储在 AL422B 芯片中 ；随后单片机一方面将存储在 AL422 内部的数字代码提取出来，经过算法处理和串口通信将数据显示在 PC 上，一方面在单片机内进行图像算法处理，得出数码管显示的数字结果并且显示在 LCD1602 上。 系统的设计要点 课题的关键问题和难点在于： （ 1）图像读取和存贮 （ 2）图像显示 （ 3）图像处理实验 东南大学毕业设计（论文）报告 第 3 章 系统硬件设计 . 7 . 第 3章 系统硬件设计 本章主要介绍系统的硬件电路设计，针对系统的设计方案确定了元件的选型和各个功能模块的电路 ，并且针对本系统的特点及性能要 求对硬件结构进行优化，完成了系统各主要电路的连线设计及调试。 系统元件选型 根据第二章方案设计中确定的系统结构，结合控制方案，经过实验测试和数据分析，确定处理器、图像传感器、数据缓存等核心原件的型号，分析其性能参数。 处理器 MSP430F149 单片机 MSP430F149 芯片是美国 TI 公司推出的超低功耗微处理器，有 60KB+256 字节 FLASH，2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带 3 个捕获／比较寄存器和 PWM 输出的 16 位定时器、带 7 个捕获／比较寄存器和 PWM 输出的 16 位定时器、 2 个具有中断功能 的 8 位并行端口、4 个 8 位并行端口、模拟比较器、 12 位 A／ D 转换器、 2 个串行通信接口等模块 [10]。 MSP430F149芯片具有如下特点： （ 1)功耗低：电压 2． 2V、时钟频率 1MHz 时，活动模式为 200μ A；关闭模式时仅为 0． 1A，且具有 5 种节能工作方式。 （ 2)高效 16 位 RISCCPU， 27 条指令， 8MHz 时钟频率时，指令周期时间为 125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成； 32kHz 时钟频率时， 16 位 MSP430 单片机的执行速度高于典型的 8 位单片机 20MHz 时钟频率时的执行速度。 （ 3)低电压供电、宽工作电压范围： 1． 8～ 3． 6V； （ 4)灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟； （ 5)低时钟频率可实现高速通信 [11]； （ 6)具有串行在线编程能力； （ 7)强大的中断功能； （ 8)唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需 6μ s； （ 9)ESD 保护，抗干扰力强； （ 10)运行环境温度范围为 40～ +85℃，适合于工业环境 [12]。 东南大学毕业设计（论文）报告 第 3 章 系统硬件设计 . 8 . MSP430 系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。 编程开发时通过专用的编程器 [13]，可以选择汇编或 C 语言编程， IAR 公司为 MSP430 系列的单片机开发了专用的 C430 语言，可以通过 WORKBENCH 和 CSPY 直接编译调试，使用灵活简单 [14]。 STC12LE5A60S2 单片机 STC12C5A60S2 系列单片机是 STC 生产的单时钟 /机器周期 1T 的单片机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051， 但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810专用复位电路 ， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 转换 (250K/S，即 25 万次 /秒 )， 针对电机控制，强干扰场合。 [15] （ 1）增强 型 8051CPU， 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051。 （ 2）工作电压： STC12C5A60S2 系列工作电压： (5V 单片机）。 STC12LE5A60S2 系列工作电压： (3V 单片机）。 （ 3）工作频率范围： 0～ 35MHz，相当于普通 8051 的 0～ 420MHz。 （ 4）用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节。 （ 5）片上集成 1280 字节 RAM[16]。 （ 6）通用 I/O 口（ 36/40/44 个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 120mA。 （ 7） ISP (在系统可编程） / IAP (在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（ )直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 （ 8）看门狗。 （ 9） 内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K 电阻到地）。 图像 传感器模块 OV7670 图像传感器是实现机器视觉的核心元件，在第二章通过分析基于嵌入式图像采集系统的功能需求和性价比，对比 CMOS 和 CCD 图像传感器，经过分析测试，系统最终选用 OmmiVision 公司的 OV7670 CMOS 图像传感器，该传感器体积小、功耗低，可控制图像质量、数据格式和传输方式。 其具备以下特点： （ 1）具有标准的 SCCB 接口，兼容 I2C 接口，可通过总线设置传感器模块的功能，适合嵌入式系统应用； （ 2）可设置多种图像输出格式，如 RawRGB、 RGB56 RGB555， YUV 等格式； （ 3）支持 VGA、 CIF 等多种尺寸图像的输出； 东南大学毕业设计（论文）报告 第 3 章 系统硬件设计 . 9 . （ 4）具有自动曝光、自动白平衡、自动黑电平校准等图像自动影响控制功能和饱和度、色相、伽马、锐度等图像质量控制功能； （ 5）具有消除噪声、坏点补偿、镜头失光补偿、图像缩放和边缘增强等自动调节功能； （ 6）最大视场角为 25176。 ，光学尺寸 1/6，最大帧率 30fpsVGA，封装尺寸 2785um*4325um。 系统的数据总线宽度为 16 位，即采用两个字节表示一个像素点，为方便图像数据存储和处理，系统可采用比较常用的 RGB565 图像格式输出，并且 OV7670 具有自动影响控制和图像质量控制功能，能简化处理器对图像的预处理过程，有效提高系统整体性能。 因而，从功能特点及其性能参数分析， OV7670 图像传感器符合系统的要求。 系统选用市场上较为常用的已封装的 OV7670 模块，省去了此小封装元件的 PCB 设计与焊接的过程，传感器被焊接在小块 PCB 板上，所有端口被引出为标准间距的接口便于与系统其它外设。