2020年04月06日 | 基于AVR单片机的博物馆防盗保护器系统设计

引言

博物馆内的藏品常常受到人为盗窃的威胁，周围环境的变化也会对其造成破坏，因此需要极为可靠的防盗系统及完善的空调系统，本设计的目的就是实现对馆藏品的智能化防盗和保护。博物馆关闭时便可将此防盗保护器启动，通过CMOS传感器对博物馆进行扫描，图像信号在微处理器中进行处理筛选压缩，并与被监控信号（人形信号）进行比较，一旦出现类人形信号，便将数据进行存储（这样可以大大节省存储空间），并进行报警。被监控信号可以增加，可以是其它任何可能对馆藏品造成损害的动物，只不过在进行筛选比较处理时要复杂一些。另外，通过温度传感器对温度信号进行采集监控，通过控制馆内空调来达到调节温度的效果，以避免馆内文物因为温度的变化而造成损害。

图1 系统功能框图

硬件系统设计

器件的选择

本设计需要对博物馆内的情况进行大范围适时监控并采集图像数据和温度数据进行处理，因此核心器件应包括图像传感器、温度传感器和微处理器。

图像传感器

为了实现适时监控，要求图像传感器的数据率（转换速度）比较快、分辨率比较高，本文选用了彩色CMOS传感器LM9628。

温度传感器

本文采用了高精度温度传感器LM19，它具有以下主要特点：可检测的温度变化范围最大为-55℃~+130℃；温度变化呈良好的线性度；可预测的温度曲线误差。

AVR高速单片处理器

本文采用了ATMEGA16 单片机 作为核心处理器，MEGA16可外接16MHz晶振，单位时钟内可以执行一条指令，内含RAM和EEPROM，并且含8通道10位ADC。基本可以达到本系统数据处理和控制的要求。

系统构成原理

系统要具有采集、处理、传输、控制等功能，其组成功能框图如图1所示。在处理器的控制下，CMOS传感器的图像数字信号（8位，10位或者12位）通过并行数据线经接口电路存入存储器，微处理器将存储器内的数据取出并进行分析处理（同时检测温度数据）， 然后控制讯响系统和相关空调接口。

图像采集部分

因为CMOS传感器采集部分在使用过程中需要合适的安装位置，因此单独把它布线到了一块小电路板上，称之为采集头板。 需要注意的是LM9628采用48引脚的LCC封装，在焊接上有一定难度（本文用15W尖嘴小烙铁，采用拖焊技术）。同时，为了便于焊接，在画元件封装图时最好将引脚在数据手册中给出的标准数据基础上再延长2个毫米。 另外，为了能采集到完整的图像，还需要在头板CMOS传感器的上方装一个1/ 3”的光学成像透镜，使投影到感光阵列上的图像尽可能完整，在安装时注意调整合适的焦距以及光栅的大小。由于采得的图像数据恢复时需要定位输出， 因此采用CMOS传感器的主工作模式，同时检测其输出的像素时钟、行时钟、场时钟，存储时加入定位信息以保证数据的有效性以便正确恢复。由于MEGA16可以快速处理8位数据，因此通过设置CMOS内部寄存器PixDataSel 和PixDataMsb（将PixDataSel设置为10h，8位模式，数字视频输出d［11..3］有效；将PixDataMsb设置为11h，8位模式，内部视频ADC的高8位有效），将低4位数据进行屏蔽，直接输出8位图像数据。为了加快调试过程，可利用CMOS传感器具有采集窗口大小可以调整的特点，将采集窗口的像素设置的比较小，从而减少了所要处理的数据量。这些功能的实现，都需要通过 I2C总线对内部控制寄存器进行设定，内部一些寄存器状态的读出也需要通过I2C总线，因此I2C总线的读写时序的实现很重要，必须严格按照数据手册所给定时关系来实现。

温度采集电路

为了保证良好的线性度，必须给温度传感器LM19的输入端提供稳定的直流电压，本设计采用的是3.3V稳压二极管，保证传感器有最大的动态范围，即-55℃~+130℃。传感器输出电流很小（几十微安），因此需要加运放进行放大，否则会被处理器引脚电压驱动为高电平或者低电平，以致于不能准确采集到电压信号。本文采用的运放器件是LMC6035。调试时应该注意，LM19是负温度系数的温度传感器，即温度越高，输出电压越低；反之，温度越低，电压越高，因此要合理选择运放的电阻参数，使输出有合适的动态范围。

存储器及其接口电路

为了避免系统突然掉电导致监控数据的丢失，存储器件采用了AM29F002，它是一款Flsah ROM，存取数据速度相当快，掉电后数据不会丢失。设计中用了两块存储器，总存储量为218*2=524288，而一帧图像的最大有效数据量为648*448=290304，基本上可以满足存储要求。因为图像传感器输出的数字信号要直接存入存储器，同时处理器也要对存储器里的数据进行读写，而采用的处理器直接寻址范围有限，只能进行8位寻址，因此需要较复杂的控制逻辑，本文采用CPLD器件EPM7128来解决这一问题，通过软件编程简化硬件设计。

处理器及外围控制电路

处理器部分是系统的核心，它具有控制和处理两个功能。外围控制接口电路包括讯响部分、空调控制显示部分和串口电路。

电源电路设计

以尽量减小功耗为目的，整个系统采用了两种供电电源：3.3V 和 5V。3.3V稳压模块采用的是CZ1585CT，5V稳压模块采用的是MC7805T。由于现在稳压电源集成度比较高，电路组成也比较简单，在此就不给出原理图了。

软件程序的设计

由于整个系统有 单片机 的控制与数据处理，也有PC机的图形处理，还有接口逻辑设计，因此软件调试既包括AVR单片机程序调试，也包括PC机程序的调试，还有硬件逻辑的描述，前两种程序的编写均使用C语言，后一种采用硬件描述语言VHDL进行编写。

AVR 单片机 部分的程序设计要完成对CMOS器件的控制，温度和图像的采集与处理以及图像数据的传输。

PC机图像处理程序主要完成图像数据的接收、分析处理以及图像的显示，主要程序模块有图形显示模块，UART通信模块，图像恢复模块等，程序相对来说比较复杂，程序段也比较长，在此就不给出了。

结语

本系统具有实时性强、智能化、功耗低等特点。虽然是为专用用途而设计，实际上它适用于任何需要图像和温度监控的场合，比如普通家庭的防盗及室内温度调节，游泳馆的水温控制及防溺水等。由于时间有限，设计中还存在着很多缺陷与不足，在很多方面如图像数据的传输、图像的恢复等还需要进一步的改进与完善。