怎樣設計博物館的智能防盜保護器系統

摘  要：本設計的目的是實(shí)現博物館藏品防盜和保護的智能化。以微處理器為核心，利用美國國家半導體的彩色圖像傳感器LM9628和溫度傳感器LM19進(jìn)行環(huán)境監控，并控制報警系統和空調系統以及進(jìn)行圖像處理。
關(guān)鍵詞：圖像傳感器；溫度傳感器；AVR單片機；CPLD

引言
    博物館內的藏品常常受到人為盜竊的威脅，周?chē)�環(huán)境的變化也會(huì )對其造成破壞，因此需要極為可靠的防盜系統及完善的空調系統，本設計的目的就是實(shí)現對館藏品的智能化防盜和保護。博物館關(guān)閉時(shí)便可將此防盜保護器啟動(dòng)，通過(guò)CMOS傳感器對博物館進(jìn)行掃描，圖像信號在微處理器中進(jìn)行處理篩選壓縮，并與被監控信號(人形信號)進(jìn)行比較，一旦出現類(lèi)人形信號，便將數據進(jìn)行存儲(這樣可以大大節省存儲空間)，并進(jìn)行報警。被監控信號可以增加，可以是其它任何可能對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)要復雜一些。另外，通過(guò)溫度傳感器對溫度信號進(jìn)行采集監控，通過(guò)控制館內空調來(lái)達到調節溫度的效果，以避免館內文物因為溫度的變化而造成損害。

圖1  系統功能框圖

硬件系統設計
器件的選擇
    本設計需要對博物館內的情況進(jìn)行大范圍適時(shí)監控并采集圖像數據和溫度數據進(jìn)行處理，因此核心器件應包括圖像傳感器、溫度傳感器和微處理器。
圖像傳感器

    為了實(shí)現適時(shí)監控，要求圖像傳感器的數據率(轉換速度)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)：可檢測的溫度變化范圍最大為-55℃~+130℃；溫度變化呈良好的線(xiàn)性度；可預測的溫度曲線(xiàn)誤差。

AVR高速單片處理器
    本文采用了ATMEGA16單片機作為核心處理器，MEGA16可外接16MHz晶振，單位時(shí)鐘內可以執行一條指令，內含RAM和EEPROM，并且含8通道10位ADC�；�本可以達到本系統數據處理和控制的要求。

系統構成原理
    系統要具有采集、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傳感器的圖像數字信號(8位，10位或者12位)通過(guò)并行數據線(xiàn)經(jīng)接口電路存入存儲器，微處理器將存儲器內的數據取出并進(jìn)行分析處理(同時(shí)檢測溫度數據), 然后控制訊響系統和相關(guān)空調接口。

圖像采集部分
    因為CMOS傳感器采集部分在使用過(guò)程中需要合適的安裝位置，因此單獨把它布線(xiàn)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)最好將引腳在數據手冊中給出的標準數據基礎上再延長(cháng)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)注意調整合適的焦距以及光柵的大小。由于采得的圖像數據恢復時(shí)需要定位輸出, 因此采用CMOS傳感器的主工作模式，同時(shí)檢測其輸出的像素時(shí)鐘、行時(shí)鐘、場(chǎng)時(shí)鐘，存儲時(shí)加入定位信息以保證數據的有效性以便正確恢復。由于MEGA16可以快速處理8位數據，因此通過(guò)設置CMOS內部寄存器PixDataSel 和PixDataMsb(將PixDataSel設置為10h，8位模式，數字視頻輸出d[11..3]有效；將PixDataMsb設置為11h，8位模式，內部視頻ADC的高8位有效)，將低4位數據進(jìn)行屏蔽，直接輸出8位圖像數據。為了加快調試過(guò)程，可利用CMOS傳感器具有采集窗口大小可以調整的特點(diǎn)，將采集窗口的像素設置的比較小，從而減少了所要處理的數據量。這些功能的實(shí)現，都需要通過(guò) I2C總線(xiàn)對內部控制寄存器進(jìn)行設定，內部一些寄存器狀態(tài)的讀出也需要通過(guò)I2C總線(xiàn)，因此I2C總線(xiàn)的讀寫(xiě)時(shí)序的實(shí)現很重要，必須嚴格按照數據手冊所給定時(shí)關(guān)系來(lái)實(shí)現。

溫度采集電路
    為了保證良好的線(xiàn)性度，必須給溫度傳感器LM19的輸入端提供穩定的直流電壓，本設計采用的是3.3V穩壓二極管，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),因此需要加運放進(jìn)行放大，否則會(huì )被處理器引腳電壓驅動(dòng)為高電平或者低電平，以致于不能準確采集到電壓信號。本文采用的運放器件是LMC6035。調試時(shí)應該注意，LM19是負溫度系數的溫度傳感器，即溫度越高，輸出電壓越低；反之，溫度越低，電壓越高，因此要合理選擇運放的電阻參數，使輸出有合適的動(dòng)態(tài)范圍。

存儲器及其接口電路
    為了避免系統突然掉電導致監控數據的丟失，存儲器件采用了AM29F002，它是一款Flsah ROM，存取數據速度相當快，掉電后數據不會(huì )丟失。設計中用了兩塊存儲器，總存儲量為2¹⁸*2=524288，而一幀圖像的最大有效數據量為648*448=290304，基本上可以滿(mǎn)足存儲要求。因為圖像傳感器輸出的數字信號要直接存入存儲器，同時(shí)處理器也要對存儲器里的數據進(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)化硬件設計。

處理器及外圍控制電路
    處理器部分是系統的核心，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、空調控制顯示部分和串口電路。

電源電路設計
    以盡量減小功耗為目的，整個(gè)系統采用了兩種供電電源：3.3V 和 5V。3.3V穩壓模塊采用的是CZ1585CT，5V穩壓模塊采用的是MC7805T。由于現在穩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。

軟件程序的設計
    由于整個(gè)系統有單片機的控制與數據處理，也有PC機的圖形處理，還有接口邏輯設計，因此軟件調試既包括AVR單片機程序調試，也包括PC機程序的調試，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)紙漿測試儀·水份測量變送器·電極·。

    AVR單片機部分的程序設計要完成對CMOS器件的控制，溫度和圖像的采集與處理以及圖像數據的傳輸。

    PC機圖像處理程序主要完成圖像數據的接收、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，圖像恢復模塊等，程序相對來(lái)說(shuō)比較復雜，程序段也比較長(cháng)，在此就不給出了。

結語(yǔ)
    本系統具有實(shí)時(shí)性強、智能化、功耗低等特點(diǎn)。雖然是為專(zhuān)用用途而設計，實(shí)際上它適用于任何需要圖像和溫度監控的場(chǎng)合，比如普通家庭的防盜及室內溫度調節，游泳館的水溫控制及防溺水等。由于時(shí)間有限，設計中還存在著(zhù)很多缺陷與不足，在很多方面如圖像數據的傳輸、圖像的恢復等還需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。