基于CMOS图像传感器的视觉导航智能小车设计毕业论文.doc

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1、基于CMOS图像传感器的视觉导航小车设计摘要89C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用89C51单片机来实现兰州理工大学的毕业设计，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用89C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。 采用的技术主要有：(1) 通过编程来控制小车的速度；(2) 传感

2、器的有效应用；(3) CMOS图像传感器关键词： 80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车An intelligence electricity motive small car based on CMOS image sensr Abstract89C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the LUT graduation design with the 89C51 single chip

3、 computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 89C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed

4、or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.The adoption of technique as:(1) Reduce th

5、e speed by program the engine；(2) Efficient application of the sensor;(3) CMOS image sensor. Keywords: 89C51 MCU, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公

6、布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导

7、师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月

8、 日导师签名： 日期： 年 月 日目录一、系统设计要求- 1 -1.1 任务- 1 -1.2设计相关要求- 1 -1.2.1 基本要求- 1 -1.2.2 主要技术指标- 1 -二、系统方案论证与选择- 1 -2.1 系统基本方案- 2 -2.2系统各模块的最终方案- 6 -三、系统的硬件设计与实现- 7 -3.1系统硬件的基本组成部分- 7 -3.2主要单元电路的设计- 8 -3.2.1电源电路- 8 -3.2.2控制电路- 10 -3.2.3循迹探测电路- 13 -3.2.4边缘检测电路- 16 -3.2.5电机驱动电路- 17 -3.2.6 PWM调速- 17 -3.2.7舵机控制电路-

9、 18 -四、系统软件设计- 19 -4.1系统总流程图- 19 -4.2 程序初始化流程图- 20 -4.3 OV7620工作流程图- 21 -五、参考文献- 22 -5.1测试仪器- 22 -5.2指标测试- 22 -5.2.1测试方法- 22 -5.2.2测试数据及测试结果分析- 23 -5.2.3系统任务完成情况- 23 -六、总结- 23 -参考文献- 24 -附录- 24 -一、系统设计要求视觉导航技术作为移动机器人领域中一项关键技术，近年来已经被越来越多的学者所重视，并进行深度的研究。目前视觉导航技术已经成为移动机器导航方法的主流趋势，并且在交通、医学、娱乐、物流等领域得到广泛的

10、应用。目前多数机器人视觉系统采用的是CCD摄像机，此类视觉体系中必须配置专用视频采集卡才能获得数字图像信息。而近年来发展起来的CMOS图像传感器，由于其采用了CMOS工艺制造，因而可以将A/D等器件集进去，使得图像传感器的集成度大大提高，进行数字通讯的方式更为简便，硬件的搭建更为简单。因此将CMOS图像传感器应用到移动机器人领域是一个个发展的趋势。1.1 任务本设计主要通过CMOS图像传感器获得路面引导线图像信息，利用高速单片机进行图像降噪处理以及路径识别。实时调整小车姿态及速度，达到巡线行驶的目的。1.2设计相关要求 1.2.1 基本要求 （1）利用CMOS图像传感器进行路径识别； （2）可

11、识别启动标识线及停止标识线 ； （3）可驱动直流电机带动车轮，并有测速功能；（4）电池电压检测，低压提示；（5）电机堵转过流保护。 1.2.2 主要技术指标 （1）小车驱动电源7.2v；（2）最高行驶速度10m/s；（3）续航行驶距离200m。二、系统方案论证与选择根据题目要求，系统可以划分为电源部分、信号检测部分、控制部分和无线通信部分。其中信号检测部分包括：循迹探测模块、测距模块。控制部分包括：电机驱动模块、单片机模块。模块框图如图1所示。2.1 系统基本方案为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。1. 电源模块论证与选择方案一：系统由7.2V2000mAh的锂蓄电池组

12、直接供电。鉴于单片机系统的核心作用，主控制器模块采用单独的稳压电路进行供电；为提高舵机响应速度，将电源正极串接一个二极管后直接加在舵机上；电机驱动芯片直接由电源供电。通过外围电路整定，电源被分配给各个模块。使用LM2940进行稳压降压至5V，给单片机等供电方案二：采用LM7805稳压电源。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。我们常用的7805稳压产生5V电压，但7805的一个明显缺点是当输入电压大于12V时，发热会很厉害，最大的输入电压也智能到达15V左右，输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏。综合以上，选择方案一,选用LM2940作为电源。2. 控制器模块

13、论证与选择方案一：选用PIC、或AVR、或智能车专用芯片等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对小车的控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高。方案二：采用STC公司的STC89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。综上所述，采用方案二。3. 循迹探测模块方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。比较器就可以输出高低电平。单片机据此来判断小车是

14、否偏离轨道或是否到达转弯标志，并根据反馈来不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来控制小车当光线照射到白纸上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在木板轨迹上方和黑色轨迹上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过。但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，且由于电压变化不是很大，不能够稳定的工作。方案二：采用光电传感器，即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外接收管可以接受到，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外线，当发出的红外线射入黑线时，没有反射，红外输出低电平，若红外接收管没有在黑线上方则可以接收到经轨道地板反射回的光线则输出高电平。此光电传感器调理电

15、路简单，工作性能稳定。是在黑暗或者是强光照射下，小车系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。方案三：三只光电开关。一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。综上所述，采用方案二。4. 测距模块方案一：用超声波传感器。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。超声波测距原理是利用超声波从发射到接收过程中传播的时间来计算出传播距离。设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播

16、速度为c，则有t=2lc，而声波在空气中传输速率为（m/s）。式中T为环境温度；cO为绝对温度时的速度，是常数。从上述两式可以推出。超声波测距方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面达到实用的要求。方案二：用漫反射式光电开关。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。考虑到本系统不但要检查黑线，还要测距离。故放弃此方案。综上所述，选择方案一。5.电机模块方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使

17、用方便，小车电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作，方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。经综合比较分析我们决定放弃此方案。综上所述，选择方案一。6.电机驱动模块方案一：MC33886的应用示意图如图2所示。图中，V+是为直流电机供电的电源。IN1和IN2两个逻辑电平输入端分别控制输出端OUT1和OU

18、T2。当IN1输入高电平时,OUT1输出也为高电平即通过H桥与V+导通；当IN1输入低电平时，OUT1输出也为低电平即通过H桥与GND导通。IN2和UT2的关系与此相同。FS为故障信号开漏极输出，低电平有效。当D1是高电平或者D2是低电平时，同时禁用OUT1和OUT2的输出，使OUT1和OUT2同时变为高阻态。通过控制IN1和IN2的电平，即可控制电机正转、反转、停转。对IN1和IN2的电平信号进行脉宽调制，即可控制电机的转速。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单。缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性

19、不高。方案三：采用BTS7970.BTS7970是一款集成度很高的大电流半桥驱动芯片，该芯片内部集成了一个P沟道的高端MOSFET和一个N沟道的低端MOSFET，由于高端采用了P沟道MOSFET，因此避免了电磁干扰，提高了其性能，采用该方案的理由如下：1. 驱动电流可直接由输入逻辑电平控制，简化了电路设计，并提高了电路的可靠性。2. 持续的漏极电流高达40A，能允许PWM的频率从0HZ到25kHZ之间任意变化，满足目标电机的各种驱动需求。3. 通过状态标志位（1s位），能实现电机状态诊断和电流采样，并具有各种保护功能。4. 可通过外部电阻调节内部MOSFET开关速率，以获得最优EMI。BTS7

20、970以最小的板极空间为高电流的PWM调速电机提供了一种较优的解决方案，总之，在驱动电机方面，该芯片具有很高的可靠性。因此决定采用BTS7970控制直流电机，即采用方案三。7. 车速检测模块方案一：通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲(当霍尔元件在离磁场较近时输出会是高电平，其它时候是低电平)，一个车轮均匀放四个小磁铁，计算一秒所得的脉冲数，从而计算出一秒小车轮子转动圈数，再测量出小车车轮周长即可计算出小车当前速度，累加可得到当前路程。方案二：车速检测模块采用韩国Autonics公司的E30S-360-3-2型旋转编码器作为车速检测器件。该旋转光码器硬件电路简单、信号采集速度快，360线的精度足以满

21、足PI控制算法调节的需要。旋转编码器与直流驱动电机通过齿数为1：1的两齿轮连接在一起，所以智能车车轮转动一圈即可以用360个脉冲表示。因此一定时间内单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速，并可直接作为控制器参数。综上所述， 采用方案二。8.图像传感器的选择 方案一：采用CCD图像传感器。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模

22、集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。 方案二：采用CMOS图像传感器。CMOS(本意是指互补金属氧化物半导体存储器，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料）是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的设定。CMOSRAM芯片由系统通过一块后备电池供电，因此无论是在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。CMOS具有以下优点：1. 允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计2. 逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强3. 静态功耗低4. 隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能

23、力比其他系列强得多 在今日，CMOS制造工艺也被广泛用于制作数码影像器材的感光援建，虽然在用途上与过去的CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但是基本上仍然采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线转化为电能，再透过芯片上的数模转换器将获得的影像讯号转变为数码讯号输出，并且不要要进行视频信号分离，因此大大简化了硬件电路。 综合以上信息，选择方案二，即选择CMOS图像传感器。9.舵机控制模块舵机属于位置伺服电机，控制信号是单片机产生的PWM信号。舵机自身硬件特性决定：在给定电压一定时，空载和带载时的角速度分别保持恒值，而线速度=*R，正比于转臂的长度R。当舵机所需

24、转动幅度一定时，长转臂要比短转臂转动的角度小，即响应更快。如图5所示，对于转臂1和2，当R1<R2且转动相同的位移时，转角1>2。因此对于相同的角速度，可得转臂响应时间t1>t2。显然利用舵机的转距余量可以提高系统整体的响应速度，智能车在行驶过程中，舵机的响应时间决定着系统的稳定性及快速性。为了减小舵机的时滞现象，充分利用舵机的转矩余量，本系统采用了以下三种方法： (1) 提高舵机工作电压，使其工作在额定电压之上，从而减小舵机的响应时间；(2) 将舵机转臂加长至3.5cm，充分利用转矩余量；(3) 将两个8位PWM寄存器合并为一个16位PWM寄存器，将舵机的PWM控制周期放大

25、至2000，从而细化PWM控制量，使转臂变化更加灵活、均匀。10.据存储模块方案一：采用外接ROM进行存储。采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。方案二：直接用单片机内部的RAM进行存储。虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。2.2系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）电

26、源模块：采用LM2940电源稳压芯片（2）控制模块：采用STC89C51单片机（3）循迹探测模块：采用光电传感器（4）测距模块： 采用超声波传感器（5）电机模块：采用直流减速（6）电机驱动模块：采用专用芯片BTS7970作为电机驱动芯片（7）车速检测模块：采用编码器测速（8）图像传感器的选择：CMOS图像传感器（9）舵机控制：采用PWM占空比控制（10）数据存储：直接使用单片机内部的RAM进行存储。三、系统的硬件设计与实现3.1系统硬件的基本组成部分本设计是一个光、机、电、无线通信一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术、无线通信技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分和智能控制部

27、分。传感部分包括图像传感循迹模块、超声波测距模块，智能控制部分包括系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机以及无线通信，完成了小车的直线行驶，探测转弯标志等各项任务。控制部分包括两个主要单元电路：单片机控制电路、电机驱动电路。统硬件框图如图2所示。 整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。系统的初略的方案方框图如图3： 3.2主要单元电路的设计3.2.1电源电路 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模

28、块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、电机驱动模块、伺服电机模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电锂电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。智能车所需电源如图4所示舵机控制器编码器传感器5V5V7V电池图4系统所需电源电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成

29、。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。在小车行进过程中电池电压会有所下降，故使用低压差电源管理芯片LM2940。LM2940是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。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2，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

30、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7.3V时，舵机电源使用7V时，舵机的滞后常数将大大减小。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3.2.2 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

31、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

32、：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

33、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P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /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

34、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，

35、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（0000H-FFFFH），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：对于单片机的晶振电路和复位电路的设计如下图7：晶振电路复位电路 3.2.3 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

36、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

37、、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;具有自动增益和自动白平衡控制,能进行亮度、对比度、饱和度、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10W。它支

38、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，SIO-I是串行时钟输入线，SIO-O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Dont care

39、和NA。Dont 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，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Dont care响应信号。OV7620功能寄存器的地址为0x000x7C(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

40、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SC

41、CB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

42、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730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O20，6 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

43、位输出格式RC1234通道1 - - - -UVB11G12B13G14 Y2G21R22G23R24 UVB11G12B13G14 Y3G21R22G23R24 UVB31G32B33G34 YCMOS图像传感器的工作原理图如图9所示：OV7620 支持一帧图象读取模式, 采用此模式则OV7620 开始传输后, 以PCLK 为频率自动传输完一帧图象后停止。本系统设置工作模式为黑白,分辨率为640 3480 。CMOS 芯片单帧读取时序如图2 所示。SARM 为内部控制位,由CPLD 控制,当SRAM 变为高时,OV7620 进入外部RAM 模式,此时OV7620 数据总线为三态,准备发送数据

44、。当给AGCEN引脚发送一初始信号后,VSYNC会产生电平跳变,CPLD监测VSYNC 的变化。其为高时OV7620 数据准备完毕,变低时开始发送。HREF为水平窗开始信号,以其上升沿开始, 输出有效数据。PCLK为像素同步信号,下降沿更新数据,上升沿为数据稳定期。所以用来存储图像的RAM 的使能信号CE,和写信号WE 及读信号RE 以及地址信号ADDRESS 都是由CPLD 来产生。由于在数据输出时, PCL K 上升沿信号稳定,而RAM 是在WR 上升沿将数据写入, 因此可以在VSYNC 有效后(VSYNC=0) 采用PCLK 作为写信号WE。同时设计一个二进制计数器, 在VSYNC 有效

45、后,以PCLK的下降沿为触发沿对PCLK 做计数,并取其输出作为RAM 的地址信号ADDRESS。这样在PCL K的下降沿更新地址信号, 接着在上升沿存贮数据。摄像头与单片机相连的管脚如下表2所示 图像采集模块电源/地VSYNCHREFPLCKY0-Y7单片机电源/地数据线数据线数据线数据线 表2：管脚连接摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感器芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将次电压值通过视频信号端输出。摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。

46、当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。这相当于，紧接着每秒图像信号之间会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做同步脉冲，它是扫描行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着会出现一段场消隐区，该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于（即持续时间远长于）其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的尾部和下一场的开始部分，得等到场消隐区过去，下一场的视频信号才能真正到来。本次设计所用的摄像头每秒扫描30幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描60场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。图像信号的组成如图10所示摄像头有两个重要的指标：分辨率和有效像素。分辨率实际上就是每场行同步脉冲数，这是因为航同步脉冲数越多，则对每场图像扫描的行数也越多。事实上，分辨率反映的是摄像头的纵向分辨能力。有效像素常写成两数相乘的形式，如“320*240”，其中前一个数值表示单行视频信号的精细程度，即