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基于單片機(jī)的線陣CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
摘要：分析了線陣CCD用于實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，介紹了一種基于AT89C2051單片機(jī)的線陣CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)處理靈活檢當(dāng)，有一定的通用性和啟發(fā)性。關(guān)鍵詞：CCD 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)系統(tǒng)
CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和輸出信號(hào)的采集與處理。目前驅(qū)動(dòng)主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)、專(zhuān)用IC驅(qū)動(dòng)、復(fù)雜的CPLD驅(qū)動(dòng)等常用的驅(qū)動(dòng)方法，但是它們存在著邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、柔性較差等缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，大多數(shù)都經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、采樣保持、A／D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)總線或采集卡等接口與PC機(jī)相連。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，而且在信號(hào)處理、通信軟件和界面設(shè)計(jì)等方面要耗費(fèi)大量的精力。應(yīng)該說(shuō)這種應(yīng)用系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)量處理方面有其優(yōu)點(diǎn)，但如果要滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的連續(xù)檢測(cè)要求以及系統(tǒng)體積精小而容易裝配等特點(diǎn)，則必須簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集過(guò)程和處理方式。本文正是出于這種考慮，開(kāi)發(fā)出了一種基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)性檢測(cè)系統(tǒng)：僅用Atmel公司一塊小型的AT89C2051單片機(jī)便能產(chǎn)生穩(wěn)定、精確、高速的驅(qū)動(dòng)脈沖。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、CPU占用率低，將驅(qū)動(dòng)、采集和處理融為一體，而且與上位機(jī)的連接僅用兩條導(dǎo)線便可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信息傳輸。這種方法大大簡(jiǎn)化了線陣CCD檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人視覺(jué)、智能小車(chē)、軌跡導(dǎo)引等動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
1 線陣CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)模型
以機(jī)器人路徑識(shí)別為例具體說(shuō)明如何利用線陣CCD開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。
假設(shè)在一個(gè)深色(如黑色、藍(lán)、綠等)平面上用寬度為30mm的白線作為機(jī)器人將要運(yùn)動(dòng)的軌跡導(dǎo)引線，利用線陣CCD開(kāi)發(fā)出檢測(cè)白線軌跡的檢測(cè)系統(tǒng)。先利用光學(xué)系統(tǒng)用攝像頭將路面信息成像到CCD的感光面上；然后讀取白線的位置檢測(cè)信息作為機(jī)器人的視覺(jué)，讓機(jī)器人在上位機(jī)的控制下沿白線軌跡運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)典型的CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。整體檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
利用CCD的光電特性，設(shè)計(jì)出的電路應(yīng)能判別視頻信號(hào)上輸出的深色和白色區(qū)別，這樣才能識(shí)別白線，時(shí)刻反應(yīng)機(jī)器人當(dāng)前所在的物理位置，以便對(duì)其運(yùn)動(dòng)做相應(yīng)的調(diào)整。 線陣CCD選用NEC公司的μPD3575D型號(hào)。芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數(shù)目為1024，像敏單元大小為14μm×l41μm×l4μm(相鄰像元中心距為14μm)，光敏區(qū)域采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)置采用保持電路、輸出放大電路，外觀尺寸為25．5mm×10mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅(qū)動(dòng)(脈沖)、12V電源條件下。
系統(tǒng)簡(jiǎn)要電路如圖2所示。驅(qū)動(dòng)用的單片機(jī)是AT89C2051。它是Atmel公司生產(chǎn)的自帶2KB可編程Flash存儲(chǔ)器的與MSC-51兼容的高性能處理器。它與常規(guī)的51芯片有相同的核心和相近的結(jié)構(gòu)功能如RAM、定時(shí)/記數(shù)器、中斷結(jié)構(gòu)、串行口、振蕩器和時(shí)鐘電路等；有最高達(dá)24MHz的振蕩頻率，能高速地驅(qū)動(dòng)CCD；有較少的精簡(jiǎn)I／O端口，因此體積很小，非常適用做小型應(yīng)用系統(tǒng)的處理器。對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活的有效解決方案。本線陣CCD檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮了其小而靈活的特點(diǎn)，既陡系統(tǒng)資源得到了
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