博物館智能防盜保護(hù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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

引言

    博物館內(nèi)的藏品常常受到人為盜竊的威脅，周?chē)h(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(guò)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(lèi)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(guò)在進(jìn)行篩選比較處理時(shí)要復(fù)雜一些。另外，通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)控，通過(guò)控制館內(nèi)空調(diào)來(lái)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

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guò)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(guò)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(chēng)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(huà)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(guò)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(guò)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(guò) 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(guò)I2C總線，因此I2C總線的讀寫(xiě)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(lái)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(xiě)，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(lái)解決這一問(wèn)題，通過(guò)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。

軟件程序的設(shè)計(jì)

    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(xiě)均使用C語(yǔ)言，后一種采用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行編寫(xiě)。

    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(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，程序段也比較長(zhǎng)，在此就不給出了。

結(jié)語(yǔ)

    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(zhuān)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。