东南大学自动化学院毕业设计论文单片机摄像头数据采集与处理.docx

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东南大学自动化学院毕业设计论文单片机摄像头数据采集与处理

题目单片机摄像头数据采集与处理

_自动化学院_院（系）自动化_专业

学　　号********

姓　　名孙博

指导教师符影杰

顾问教师

起止日期2012.12.20–2013.06.10

设计地点中心楼224

单片机摄像头数据采集与处理

摘要

随着计算机的发展，随着图像采集处理技术的进步和社会的发展，其被广泛的运用于社会社交，远程医疗及实时监控等各个方面。

图像测量是一种非接触式的检测方法，可应用于工业、民用等许多领域。

图像采集与处理是图像测量的基础，关系到测量的精度与速度。

基于单片机摄像头图像采集与处理技术拥有广泛的应用市场和广阔的发展前景。

本文中基于低功耗单片机的摄像式实时图像测量系统，通过图像测量的方法，可直接安装在常规电表前，采用摄像技术和图像识别技术实现数据采集，将读表数据直接在单片机中处理并显示出结果，采用串口传输技术将数据存储于上位机上并显示，无需人工干预，具有成本低、安装简单、智能化程度高的特点。

针对本设计的特点，采用一种基于图像处理技术的数码管检测系统，设计了静态图像采集和静态图像处理的控制方案。

首先，通过分析与实验，完成各功能模块核心元件的选型与外围电路设计。

经过硬件调试，完成了最小系统、图像采集、数据存储、结果显示和数据传输等功能模块的硬件设计。

其次，在硬件平台的基础上，实现各个功能模块的软件功能。

基于本装置的控制要求，分别选用了MSP430F149单片机和STC12LE5A60S2单片机和OV7670图像传感器作为核心部件，设计并完成了两套图像测量系统。

实验结果表明，该装置满足测量要求，达到了研究的预期目的。

关键词：

图像测量、图像处理、摄像头、单片机

Singlechipcameradataacquisitionandprocessing

Abstract

Withthedevelopmentofcomputertechnology,alongwiththedevelopmentofimageacquisitionandprocessingtechnologyandtheprogressofsociety,imagetechnologyiswidelyusedinsocialnetworking,telemedicineandreal-timemonitoring.Imagemeasurementisasortofnon-contactmeasurement,whichcanbeappliedtomanyfieldssuchasindustrial,civil.Imageacquisitionandprocessingisthebasisofimagemeasurement,whichisrelatedtotheprecisionandspeedofmeasurement.Imageacquisitionandprocessingtechnologybasedonsinglechiphasawidelyapplicationprospectfordevelopment.

Cameraimagereal-timemeasurementsystembasedonlowpowerconsumptionMCUinthispaper,throughthemethodofimagemeasurement,canbedirectlyinstalledintheconventionalelectricmeter,whichadopttherealizationofdataacquisitioncameratechnologyandimagerecognitiontechnology,processingthereadingdatadirectlyintheMCUanddisplaytheresults.ItusesserialtransmissiontechnologytostoredatatothePCanddisplay,withoutmanualintervention,havingthecharacteristicsoflowcost,simpleinstallation,highintelligentdegree.

Accordingtothecharacteristicsofthedesign,usingadigitaldetectionsystembasedontheimageprocessingtechnique,acontrolschemeisdesignedforthestaticimageacquisitionandstaticimageprocessing.Firstly,throughanalysisandexperiment,completethedesignandselectionofkeycomponentsofperipheralcircuitofeachfunctionmodule.Afterhardwaredebugging,completedthehardwaredesignoftheminimumsystem,imageacquisition,datastorage,resultsdisplayanddatatransmissionmodule.Secondly,basedonthehardwareplatform,realizeeachfunctionmoduleofsoftwarefunction.

Basedontherequirementsofthedevice,MSP430F149chipandSTC12LE5A60S2MCUandOV7670imagesensorisusedasacorecomponent,Idesignedandcompletedthetwosetsofimagemeasurementsystem.Theexperimentalresultsshowthat,thedevicemeetsthemeasurementrequirementsandachievestheexpectedgoal.

KEYWORDS:

Imagemeasurement，imageprocessing，camera，singlechip.

第1章绪论

1.1项目背景、研究现状与研究意义

1.1.1项目背景

随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像处理近年来得到了极大的重视和长足的发展，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信方面取得了广泛的应用。

同时，人们对计算机视频应用的要求也越来越高，从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，图像处理技术在目标跟踪、机器人导航、辅助驾驶中都得到越来越多的应用。

由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，因此图像处理系统必须具有强大的运算能力。

从图像处理技术的发展来看，实时性在实际中有着广泛的应用。

实时图像处理系统设计的难点是如何在有限的时间内完成大量图像数据的处理。

因为要对图像进行实时处理，所以为了实现实时和快速，高效的处理，在这个系统中要求我们的图像处理速度要达到一定的速度。

为了快速的处理大数据量的多媒体信息，特别是活动图像信息，同时又能灵活的支持多种不同的应用，单片机的应用势在必行。

各种高性能单片机[1]不仅可以满足在运算性能和实时性能方面的需要，而且由于单片机的可编程性，还可以在硬件获得系统设计的极大灵活性。

近年来，单片机技术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展，对图像处理等领域的技术发展也起到了十分重要的推动作用。

基于单片机[2]的图像处理系统也被广泛的应用于各种领域。

1.1.2研究现状

基于单片机的图像处理系统越来越受到人们的青睐。

随着微型计算机的发展和普及，现代图像处理方式越来越向高速、小型、简洁的方向发展，图像处理逐渐由专用、笨重的图像处理机过渡到通用、小型方式，但是由于图像数据量大，算法复杂，使用软件来处理时，软件往往局限于计算机的配置，使得图像处理速度比较慢、实时性差、价格高，不能适应恶劣工作环境。

以单片机为核心的硬件系统同样可以用来进行图像处理，为这个问题的解决带来了新的途径。

单片机的运算速度和运算精度不断地提高，片内的存储容量不断地加大，系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能不断地增强，完全可以脱离PC机开发出基于单片机的图像系统。

这种设计方案的优点是设计简单、灵活，成本比较低，便于实际中使用。

1.1.3研究意义

在数字图像处理技术中，图像测量[3]是一种非接触式的检测方法，可应用于工业、民用等许多领域。

随着计算机的发展，随着图像采集处理技术的进步和社会的发展，图像测量被广泛的运用于社会社交，远程医疗及实时监控等各个方面。

基于单片机摄像头数据采集与处理[4]的实时读表技术就是图像测量的一个重要的应用。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，许多现有的电表已经不能满足人们的需求，比如数据的实时存储等功能的欠缺，使得人们需要对现有电表终端进行改造。

通常，对现有电表终端的改造都是用新型智能电表替换原有常规电表，这不仅造成了资源的浪费，也增加了建设成本。

本文中基于低功耗单片机的摄像式实时读表器，可直接安装在常规电表上，采用摄像技术和图像识别技术实现数据采集，将读表数据直接存储于单片机中，并采用串口传输技术将数据存储于上位机上，无需人工干预，具有成本低、安装简单、智能化程度高的特点。

1.2本论文所做的主要工作与所要达到的目标

根据单片机摄像头数据采集与处理的研究现状和实际应用的要求，设计了一种基于单片机的实时读表装置。

采用图像的方法对电表的数码管进行检测并且将结果输出[5]，并在此基础上设计相应的软硬件。

本课题要达到如下目标：

（1）通过软件编程设置OV7670摄像头内部参数实现图像的采集[6]。

（2）将采集到的图像转换为数字信号存储在AL422里。

（3）用MSP430单片机将存储在AL422内部的数字代码提取出来，通过串口通讯和上位机应用程序将图像数据显示在PC上。

（4）在MSP430单片机中通过相关图像算法得出所采集数码管图像的数据，从而将结果显示在LCD1602上。

（5）使用C51单片机再次实现

（1）到（3）的功能。

第2章总体设计

本文将对数码管图像的测量作为研究对象，致力于涉及一种快捷方便、成本低、精度高的图像测量系统。

本章结合了图像处理的相关理论，分析了基于图像处理技术的数码管图像测量系统的可行性，根据系统需求确定控制方案和基本功能模块，完成系统的整体方案设计。

2.1基于图像处理的相关方案

2.1.1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RGB888、RGB555、RGB565。

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2-1RGB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。

如本系统中使用的图像传感器采集的图像大小为320*240[7]。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.2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。

2.2.1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TexasInstrument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。

2.2.2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机系统完成图像检测系统控制。

2.2.3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]。

2.3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]。

2.3.1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。

图2-1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。

2.3.2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

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。

3.1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。

3.1.1处理器

3.1.1.1MSP430F149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200μA；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RISC-CPU，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6μs；

　（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]。

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C-SPY直接编译调试，使用灵活简单[14]。

3.1.1.2STC12LE5A60S2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8-12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：

5.5V-3.5V（5V单片机）。

STC12LE5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（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（P3.0/P3.1）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）。

3.1.2图像传感器模块

3.1.2.1OV7670

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OV7670CMOS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、RGB565、RGB555，YUV等格式；

（3）支持VGA、CIF等多种尺寸图像的输出；

（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25°，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相连，传感器图像感光影响区域上方配有可调焦镜头，系统采用这款OV7670图像传感器模块简化了传感器硬件