摘 要

桥梁变形监测，是通过每天对桥梁的形变进行数据采集，通过观察总结其形变规律，以保障桥梁的安全。本次设计就是对桥梁的形变进行数据采集，其设计要求为通过数码相机每天在同一时间同一地点对桥梁拍照，并将拍摄的图像存储在数码相机的存储卡里，之后通过存储卡将图像数据传送给电脑。

本次设计需要设计一个定时电路控制数码相机定时拍照。首先，设计一个定时电路，该电路能设置实时时间和设定定时时间；其次，可采用红外遥控技术控制数码相机拍照，即通过定时时间控制红外发射电路。

本次设计是用Proteus仿真软件仿真，在仿真过程中，用发光二极管代替红外发射电路。仿真结果为当实时时间与设定时间相同时，发光二极管发红光，仿真成功。

关键词：图像采集; 定时电路; Proteus仿真

Abstract

Deformation monitoring of bridges is to collect data on the deformation of bridges every day, and to observe the laws of deformation in order to ensure the safety of bridges. This design is the data acquisition of the deformation of the bridge. The design requirement is to photograph the bridge through the digital camera at the same time and place in the same place at the same time. The captured image is stored in the memory card of the digital camera, and then the image data is stored by the memory card. Send it to the computer.

This design needs to design a timing circuit to control the digital camera timing photographing. First, a timing circuit is designed. The circuit can set real-time time and set timing time. Secondly, infrared remote control technology can be used to control the digital camera to photograph, that is, the infrared emission circuit is controlled through a regular time.

This design is simulated using Proteus simulation software. In the simulation process, light emitting diodes are used instead of infrared emission circuits. The simulation result is that when the real time is the same as the set time, the light emitting diode emits red light and the simulation is successful.

Key Words: image acquisition; timing circuit; Proteus simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景及意义 1

1.1.2图像采集 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文主要研究内容 2

1.4本文结构安排 2

第2章 系统设计理论基础 4

2.1自动定时控制电路的原理 4

2.2现有控制方法 4

2.3存储卡 4

2.4本章小结 4

第3章 设计系统方案 6

3.1设计要求及分析 6

3.1.1设计任务 6

3.1.2设计思路 6

3.2控制系统的选择 6

3.3本章小结 7

第4章 硬件部分设计 8

4.1硬件总体设计 8

4.2单片机 8

4.3时钟电路 10

4.4键盘电路 11

4.5数码显示电路 11

4.6接口电路 12

4.7本章小结 13

第5章 软件部分设计 14

5.1软件部分总体设计 14

5.1.1总体模块 14

5.1.2设计思路 14

5.2主程序模块 15

5.3键盘控制模块 16

5.4当前时间设置模块 16

5.5定时时间设置模块 17

5.6显示模块 19

5.7本章小结 19

第6章 仿真结果及分析 21

6.1仿真软件的介绍 21

6.2仿真结果及分析 21

6.3 本章小结 23

第7章 设计过程中的问题及分析 24

7.1设计方面的问题 24

7.2硬件方面问题 24

7.3软件方面问题 25

7.4本章小结 25

第8章 总结 27

致谢 28

参考文献 29

附录 30

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景及意义

本文主要完成的是建筑物变形监测这一课题的前期图像采集工作，对建筑物桥梁的每天同一时段的进行图像采集。变形观测是指根据建筑物的性质和地基情况，正确反映该建筑物的形变情况，以得出该建筑物的以何种规律进行变化，从而保障其安全。

本文所研究的建筑物为桥梁，随着河水的涨退及冲刷、桥面车辆的行驶、周围环境的变化等等，都会造成桥梁的变形，日积月累，就会造成较为严重的后果，故而掌握桥梁的形变规律就成了极为重要的事情。对桥梁变形的数据采集，必须每天在同一时间段的同一位置对桥梁进行拍照，收集数据，并传回电脑，再通过图像处理技术，比较每张图像的细微变化，总结规律，推算形变量达到或超出预警值的时间，提前对桥梁进行维护或其他处理，以确保人们的日常生活安全，减少发生不必要的危险。然而，数据采集的过程是重复繁琐且需要较高的精确度，所以需用自动化设备代替人工劳动。而本次设计所需完成的任务就是设计一个满足要求的自动化的设备。

1.1.2图像采集

图像采集是将光学图像转变成视频信号，再将它数字化，主要是通过图像采集卡，从而得到已数字化的图像数据，再通过计算机对其进行存储，以供后续处理的操作过程。即由视觉传感器，将光信号转变成电信号，再通过在空间里采取样本并对样本的幅值进行近一步量化处理后，就可以变成数字化的图像了。图像采集可以分为两类，一个是静态的，一个是动态的。静态图像采集指通过一般数码相机拍照，再把拍摄的图像数据转变成数字数据进行储存。现在数码相机就是直接将数字信号直接储存在存储卡上，然后可直接用存储卡将存储卡上的图像数据传输到电脑上，再进行下一步的处理。动态图像采集是用摄像机录视频，再将视频储存在磁带上，后期用磁带采集设备把模拟的图像数据转变成数字图像数据，储存在硬盘上；或者直接储存在DVD上，然后传给电脑进行处理和分析。在本次的设计中，对数据的采集采用的是静态数据采集的方式，即直接运用数码采集拍照采集，然后再由存储卡，把已采集的图像数据直接传送到电脑上，再采用一些操作和方法，对采集的图像数据进行处理和分析。

1.2国内外研究现状

目前，由查阅资料的资料显示，研究数字图像采集处理，主要有这样几种方法如下：使用基于ASIC图像采集卡的方法、以PC为核心的方法、基于FPGA的用硬件进行图像采集并处理的方法、FPGA和DSP相结合使用的方法。德国的蒂宾根大学为加速可视化3D算法，设计了一个FPGA板用作PCI的协处理器。韩国也研究了基于FPGA单机彩色图像变换系统，即用硬件语言来实现对数字图像的算法处理，再通过USB传送给PC机。在国内，哈尔滨工业大学以STRATIX III系列FPGA的DE3-340作为图像处理平台，利用基于FPGA可重构计算算法，得到了全新的软硬件协同设计思想。中科院物理研究所研究开发了一个能对图像进行采集的系统，其主要是通过FPGA实现在采集过程中的实时和速度快的特点。通过对国内外的调查了解，数字图像采集处理技术全处于高速发展中，已经得到了一个比较好的成绩。相信随着科技的迅速发展，人们的需求也不停的升高，一定会促使该项技术发展，并取得进一步的成就。

1.3本文主要研究内容

本文主要研究的是静态图像采集，即通过数码相机对某一固定时间段进行数据采集，这样就必须设计一个定时电路对该数码相机进行控制。设计的电路是以单片机为核心的定时电路，构成的模块如下：时钟电路、键盘电路、数码显示电路、接口电路。最终实现，通过键盘电路设置定时时间，并在数码显示电路中显示，最后在设置的时间里由接口电路控制数码相机，实现整个控制过程。故而，主要的研究即对时钟电路、键盘电路、数码显示电路、接口电路进行设计和电路的搭建，并完成整个设计过程。

1.4本文结构安排

第1章，绪论，主要是概述所研究内容的背景及意义，并调查在国内外图像采集的研究现状，以及对本文研究内容的说明和本文结构的安排。

第2章，数码相机照片自动采集和存储系统的设计，介绍定时控制电路的原理和定时电路控制方法的选择。

第3章，设计系统方案，介绍了本次设计的设计要求，并通过对其进行的分析，从而得到设计思路，最终确定系统的方案。

第4章，硬件部分设计，对硬件整体进行分析，并介绍各个组成部分的工作原理和功能。

第5章，软件部分设计，总述软件部分的结构，并单独对每个模块进行分析，再根据每个模块所需要实现的功能，画出相应的流程图并编写程序。

第6章，仿真结果及分析，本章首先介绍了本文所用的仿真软件，其后在仿真软件上完成对定时电路系统的仿真，分析并总结产生的仿真结果。

第7章，设计过程中的问题及分析，从设计过程、硬件、软件三个方面，总结在对系统的整个设计过程中出现的问题，并对出现的问题进行分析，得到合理的解决方法，使问题得以解决。

第8章，总结，对本文进行总结及心得体会。

第2章 系统设计理论基础

2.1自动定时控制电路的原理

AT89C51单片机的T0和T1是属于单片机内部的可编程的定时/计数器，通过这两个引脚，能实现定时和计数的功能。它们每个都有一个16位的加一计数器，而且该计数器是通过一个高8位的TH和一个低8位的TL构成。该定时控制电路可选用单片机内部的计时器计数，首先设置一个初始值，计数器计时每满一秒，“秒”单元加1，当“秒”单元满60，向“分”单元进1，即“分”单元加1，当“分”单元满60，向“时”单元进1，即“时”单元加1，当“时”单元满24时，将“时”单元里的数值清零，并且从头继续计时工作。可由键盘单路控制定时设置，当时钟的时间与设定时间相同时，输出高电平，即完成了定时控制电路。

2.2现有控制方法

555定时器主要通过两个比较器决定其具体功能实现，它是一种由数字信号和模拟信号在一起的集成电路，它的成本低，性能可靠；PLC定时器是可以作为一个时间继电器，其工作在继电器系统中的达到的效果与PLC定时器一样，其基本功能是延时，利用该定时器可组成不同的时序逻辑电路；单片机定时器，即如上节所介绍的的定时器，可完成定时电路的设计，等等。本文采用的是单片机中的定时器，因为对该定时器更为熟悉，且设计所需的功能要求都可以满足，故而选用单片机中的定时器。

2.3存储卡

现在的数码相机，都带有一个存储卡，其功能是对已拍摄的图像信息进行存储。存储卡有以下几类：CF卡、SM卡、SD卡等。CF卡是标准闪存卡，当用数码相机进行拍照时，数码相机的CCD就会感应到有图像的信息，这时就会在该卡中保存该图像的数据。SM卡是智能媒体卡，体积小，但是对相机的兼容性不高，故在相机中很少使用。SD卡主要用于数码相机中，以确保数据的安全性，SD卡的主要优点就是其对数据的加密，保证其安全，在现在数码相机中普遍使用。通过以上的了解，可将本次设计的存储系统，直接使用数码相机自带的存储卡代替，来储存已经拍照形成的图像数据。

2.4本章小结

对设计的两大板块的初步了解，了解基于单片机的定时电路的原理、定时电路的其他实现方法、数码相机的存储卡的类型。定时控制电路的基本工作原理可以用于对本文中定时电路的设计，存储卡则可帮助了解数码相机里的存储系统构成以及它的工作原理。通过对这些方面的了解，有利于对后一章设计任务的分析和设计方案的确定。

第3章 设计系统方案

为了观察桥面在固定时段的车辆情况，则必须对该时段进行多次采样，然后通过采样的照片进行比对等等，为后续的工作做好充分的准备，则本文需要设计一个具有高精度、自动化的电路进行控制。运用以前所学的知识，设计一个电路，使相机在设定的固定时间里拍照工作，即为本次设计的核心内容。

3.1设计要求及分析

3.1.1设计任务

设计一套完整的控制系统，根据用户设置、完成数码相机的自动定时拍照以及照片存储。了解自动定时控制电路的基本原理；熟悉现有自动定时控制电路的实现方法；完成控制电路板的选型和自动定时拍照机制；实现拍照定时控制和自动存储系统的总体调试。

3.1.2设计思路

在整个设计要求中，可把该设计分为两块，一个是自动定时拍照系统，一个是自动存储系统。由于，控制对象为数码相机，其本身就具有存储功能，故而可先不考虑存储系统。即设计核心为自动定时拍照系统，该系统可分为硬件部分和软件部分，其硬件部分又可分为时钟电路、键盘电路、数码显示电路、接口电路；软件部分可分为主程序模块，键盘控制模块，定时时间设置模块，当前时间设置模块，显示模块。先通过键盘电路的按键控制设置时间的类别，再通过相应的按键分别设置当前时间和定时时间，并在显示电路中显示。当实时时间与设定的定时时间相同时，接口电路通过单片机输出的高电平，使红外遥控发出红外光波，从而控制数码相机的工作，使相机自动拍照，并能自动地将已经拍摄完成的照片直接储存在数码相机的存储卡里，最后，可由存储卡直接将图像数据传输到电脑上，以供后续工作的进行。

3.2控制系统的选择

在对该设计的控制系统的进行选择时，出现了两个方案，其一为嵌入式系统，另一个为以单片机为主的控制系统。单片机是包含微控制器和输入输出接口器件的集成电路芯片，而且单片机内没有应用程序，不能直接运行，只有加入应用程序后才能运行。嵌入式系统是可用单片机实现也可用其他可编程电子器件实现，且可完全用硬件电路来实现逻辑控制，也可用软件程序，比较灵活，可降制造成本。但在实际运用中，以单片机为核心的控制系统可实现本次设计所需的设计要求，且对基本单片机的使用也更为熟悉，故而最终仍然选择了相比较而言更加能熟练使用的以单片机为处理器的控制系统。

3.3本章小结

本章介绍了本次设计的设计要求，并通过对其进行的分析，从而得到设计思路，最终确定系统的方案。本次设计的核心为设计一个定时电路控制数码相机拍照，完成图像采集；然后用数码相机自带的存储卡存储相片，并通过该存储卡，将存储的图像数据传输至电脑，存储系统就可采用数码相机内部的存储卡，故此次设计的主要任务即为设计定时电路控制数码相机拍照。

第4章 硬件部分设计

4.1硬件总体设计

硬件设计可分以下四个模块，分为时钟电路模块、键盘电路模块、数码显示电路模块、接口电路模块。时钟电路是用于产生一定的实时时间的时间间隔，可以采用存在于用片内的时钟电路使所需时间间隔的产生；键盘电路即实现对当前时间和定时时间的选择和时间设置；数码显示电路选用的是由六位一体的七段LED数码管组成的显示屏，其功能是用来显示时-分-秒的数值；接口电路即将该电路板与数码相机连接起来，采用的是红外遥控技术，在电路板实现红外光波的发射。

其硬件总体设计框图如下：

图4.1 硬件总体设计框图

4.2单片机

本次设计在选用单片机的型号时，选用的是最基础的AT89C51，它由一个八位的微处理器构成，具有高密度、不易失、且能与8051完美融合的优点，并在该芯片上集成了CPU、定时/计数器、ROM、RAM和多种I/O口。在电源突然没有时，并不不会造成单片机中RAM的存储的东西遗失，仍会使本身存在于其中的内容不发生变化，但是振荡器不会继续接下来的工作，其他部件也不能完成它们的功能，只有当下一次硬件复位来临时才会继续工作。

部分引脚的具体功能介绍如下：

VCC（40引脚）:在该端口需要向其中接入 5V的电源，以支持单片机进行接下来相应的工作。

GND（20引脚）:是接地的管脚，保证单片机的稳定工作。

XTAL1（19引脚）：可作为一个输入端口，与下面这个端口连用可以构成一个存在片内的时钟电路；当在单片机外部产生时钟电路时，该电路与单片机可通过该端口进行连接，而该端口则作为一个输出端口。

XTAL2（18引脚）：可作为一个输出端口，与上面这个端口连用可以构成一个存在于片内的时钟电路；当在单片机外部产生时钟电路时，该电路与单片机的连接不通过该端口，只能将该端口空置。

RST（RESET、9引脚）：是控制着单片机是否进行复位的操作。当连续向该端口传入大于2个机器周期的高电平，这个时候该端口能实现其功能，即使单片机清空之前的工作状态，重新按照之后的要求进行相应的操作。

/VPP（31引脚）：是该端口的首先的功能，具体作用是外部的程序存储器是否接入并对单片机产生影响的控制端口。在=1的时候，单片机就会读取存在于内部程序存储器里的内容，若有外部存储器接入，则会先去读内部的内容，然后再去读外部的内容；在=0时候，单片机只会去读取外部存储器里的内容，片内的并不起作用。

ALE/（30引脚）：ALE 是该端口的首先的功能，即将地址信号固封起来的控制信号端口，由于单片机的引脚数的限制，P0口可以在同一时间，被两种总线进行使用，其工作的完成主要是由ALE控制；是该端口的其次的功能，作用是控制对单片机内部的程序存储器进行的编程是否进行。

（29引脚）：是一个控制端口，程序存储器是否输出都要通过对该端口的信号进行控制。

接下来还有四个端口，分别是P0口（P0.0-P0.7,39引脚-32引脚）、P1口（P1.0-P1.7,1引脚-8引脚）、P2口（P2.0-P2.7,21引脚-28引脚）、P3口（P3.0-P3.7,10引脚-17引脚），通过这些端口可以对数据进行输入和输出的操作，但是每一个端口都有它特有的功能，所以要特别注意对这些端口的使用，充分利用它们特有的功能，但是不要将它们的部分用法弄混。在对这些端口的使用过程中，需要配合设计要求、硬件电路的搭建，有根据、有条理、不重复的分配这些端口，以实现单片机与外部电路的信息连接，并能完成相应的操作，最后能得到相应的操作结果。