毕业设计（论文）-面向单片机的图像传输显示系统的设计与实现.doc

本科毕业设计说明书（论文） （2015 届）届） 论文题目 面向单片机的图像传输显示系统的 设计与实现 作者姓名 指导教师 学科(专业) 计算机 1102 所在学院 计算机科学与技术学院 提交日期 2015 年 6 月 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） I 摘要摘要 近年来，在科学技术快速发展的基础上，互联网已经融入人们的生活之中， 一切的行为信息都可以通过数据存储和分享等，人们已经生活在以数据为中心 的环境中，通过智能硬件收集并处理信息，将处理后的信息展示在人们眼前。 智能技术的快速发展使我们的生活进入到智能时代。 全套设计加扣 3012250582 本设计面向单片机的图像传输系统设计与实现，通过蓝牙通信通道，使用 单片机来控制和连接安卓手机相机系统，同时通过手机应用，实现拍照和传输 图像并显示在单片机 LCD 屏幕上的目的。本设计采用的单片机是德州仪器 （TI）推出的 Cortex-M4 单片机，型号为 EK-TM4C1294XL。蓝牙异步串口模块 采用 CSR BluetoothTM 2.0 核心芯片 BC417 设计。运用了按钮控制、蜂鸣器 控制、TFT LCD 液晶屏开发、图像二值化处理、图像缩放、蓝牙通信等技术， 涉及到 CCS M4 开发，安卓 SDK 开发，安卓 NDK 开发等，使用 opencv 函数实 现不同图像效果呈现。本设计充分利用单片机的性能好、体积小、价格优的特 点，以及智能手机普及的现状，实现安卓系统和单片机之间的相机控制、拍照、 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） II 图像处理、图像传输、图像显示的功能。 本设计的开发，能够以低成本的方式，实现智能化硬件之间的相互控制， 为智能化家居生活提供一个方面的解决方案，并且充分利用与生活相关的智能 手机和智能硬件，实现智能化的交互动作，提升人们的生活品质。 关键词：关键词：蓝牙，远程控制，单片机，安卓系统，图像传输，opencv 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） I Abstract In recent years, on the basis of the rapid development of science and technology, the Internet has integrated into our life.All the behavior of the information can be through the data-storage and data-sharing. People have been living in a data-centric environment.We can collect and process information by the intelligent hardware ,and then show the processed information to us. The rapid development of smart technology makes our life into the intelligent era. The devise, for the image transmission system design and implementation of microcontrollers, via Bluetooth communication channel, uses microcontrollers to control and connect the android mobile phone camera system. we achieve the aim that pictures and images display on the TFT LCD screen.This devises microcontroller is the launched Cortex-M4microcontroller by Texas instruments (TI) and model number is EK - TM4C1294XL.Bluetooth asynchronous serial port module uses the design of CSR BluetoothTM 2.0 core chip BC417.The devise applies techniques of the button control, buzzer control, TFT LCD screen image development,binarization image processing techniques, image scaling and bluetooth communication.It involves the development of CCS M4, android SDK development, and android the NDK development, and uses opencv function to present different graphics. This devise makes full use of the microcontrollers advantages of good performance,small volume and reasonable price,and also utilizes the fact of the popularization of the smart phone to achieve functions of camera controlling,taking photos,handling image,transmitting image,and displaying image between android and microcontrollers. The development of the devise can realize the interacting control between the intelligent hardware in a low cost form.In addition,it makes full use of smart phones and intelligent hardware which are related with our life to realize the intelligent interactive action and improve peoples quality of life. Keywords：bluetooth， telecontrol， microcontrollers，android，image transmission，opencv 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） I 目录目录 摘要摘要.I ABSTRACT.I 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1研究背景 .1 1.2研究意义 .1 1.3国内外研究现状及难点 .2 1.4本文的研究内容 .4 1.5本文的组织结构 .6 1.6本章小结 .6 第二章第二章 总体设计总体设计.7 2.1面向单片机的图像传输显示系统总体设计 .7 2.1.1单片机概要设计.8 2.1.2软件 APP 概要设计.9 2.2开发环境 .10 4.2.1软件环境.10 4.2.2硬件环境.10 2.3主要开发语言 .10 2.4本章小结 .11 第三章第三章 单片机系统详细设计单片机系统详细设计.12 3.1单片机设计详细概述 .12 3.1.1单片机选择方案.12 3.1.2电路控制方案.14 3.1.3CCS M4 底库开发.15 3.1.4TFT LCD 液晶屏开发.17 3.1.5蜂鸣器.19 3.1.6控制器.20 3.2蓝牙通讯 .21 3.3安卓手机选择 .24 3.4本章小结 .25 第四章第四章 软件软件 APP 详细设计详细设计 .26 4.1APP 设计概述.26 4.1.1Android 系统简介.26 4.1.2Android 系统架构.27 4.1.3Android 开发环境搭建与工程建立.28 4.2APP 软件主要功能实现.29 4.2.1蓝牙功能.29 4.2.2图像二值化处理.30 4.3OPENCV简介.31 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） ii 4.4本章小结 .33 第五章第五章 系统测试与实现系统测试与实现.34 5.1系统测试 .34 5.1.1功能原理.34 5.1.2Android 软件 APP 功能 .38 5.2系统功能实现 .39 5.3本章小结 .42 第六章第六章 总结总结.43 6.1 完成的工作 .43 6.2 存在的问题及下一步工作 .43 6.3 前景展望 .43 参考文献参考文献.45 致谢致谢.47 附录附录.48 附录 1 毕业设计文献综述.48 附件 2 毕业设计开题报告.48 附件 3 毕业设计外文翻译（中文译文与外文原文）.48 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） iii 图目录图目录 图 2-1 系统框架示意.7 图 2-2 实物系统展示图.8 图 2-3 单片机系统实物照片.9 图 3-1 CORTEX-M4 单片机.13 图 3-2 管脚复用明细其一.13 图 3-3 管脚复用明细其二.14 图 3-4 12V 升压电源模块系统图 .14 图 3-5 线性稳压模块图.15 图 3-6 MOS 管 H 桥驱动电路.15 图 3-7CCSV6 主界面.16 图 3-8CCS-M4 开发工程建立.16 图 3-9 初始化单片机频率代码实现.17 图 3-10 16 位并口方式时序特征.18 图 3-11 16 位并口方式时序图.19 图 3-12 TFT LCD 液晶屏显示控制代码 .19 图 3-13 蜂鸣器控制-关.20 图 3-14 蜂鸣器控制-开.20 图 3-15 控制按钮范例.20 图 3-16 控制按钮初始化代码.21 图 3-17 按钮控制实现代码.21 图 3-18 蓝牙串口模块.23 图 3-19 单片机蓝牙初始化.24 图 3-20 联想 A790E智能手机.25 图 4-1 ANDROID系统架构图.27 图 4-2 APP 工程建立.29 图 4-3 蓝牙控制工程其一.30 图 4-4 蓝牙控制工程其二.30 图 4-5 图像二值化处理函数代码.31 图 5-1 单片机系统展示.34 图 5-2 菜单栏效果.38 图 5-3 蓝牙连接选项.38 图 5-4 蓝牙扫描界面.39 图 5-5 蓝牙连接成功提示.39 图 5-6 单片机接通电源.40 图 5-7 样片原图.41 图 5-8 拍摄二值化图效果.41 图 5-9 传输成功二值化图.42 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1研究背景研究背景 近年来，在科学技术的快速发展的基础上，尤其是各大互联网公司的快速 发展，互联网已经融入人们的生活之中，一切的行为信息都可以通过数据存储 和分享等，人们已经生活在以数据为中心的环境中，通过智能硬件收集信息， 通过智能化的移动设备处理信息，将处理后的信息展示在人们眼前，改变着人 们的生活方式。由此，家居环境和设施的智能化也可以通过智能化的方式实现 突破，人们对此有了更高的期望，无论何时都可以运用移动智能设备控制智能 家居硬件，我们终会实现家居硬件与生活的互动，更加舒适、安全、人性、智 能的居住环境是能够在现实中实现的。智能技术的快速发展使我们的生活进入 到智能时代。家居生活的智能化是当今计算机网络与通讯技术最人性化的应用1。 现代家居需要将一些静止的设备转变为具有能动性的智能化的硬件。使得 家居硬件与外部环境保持有趣的信息的交流。实现了信息的全方位交互，智能 家居系统致力于为用户营造一个更为安全、灵智、简便、时尚的数字化居家空 间，带来全新的、高尚的、智能的生活体验2。智能家居硬件一直在改变着人们 的生活方式和工作方式，人们的日常生活将更加智能化。 1.2研究意义研究意义 “面向单片机的图像传输显示系统的设计与实现”是通过蓝牙通信通道连通 手机和单片机，使用单片机的按钮来控制和连接安卓手机相机系统，同时通过 手机应用，实现拍照和传输图像并显示在单片机 LCD 屏幕上的目的。这个充 分利用单片机的性能好、体积小、价格优的特点，以及智能手机普及的现状， 最终实现安卓系统和单片机之间的相机控制、拍照、图像处理、图像传输、图 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） 2 像显示的功能。 本设计的开发，能够以低成本的方式，实现智能化硬件之间的相互控制， 为智能化家居生活提供一个方面的解决方案，充分利用与生活相关的智能手机 和智能硬件，实现智能化的交互动作，提升人们的生活品质。 1.3国内外研究现状及难点国内外研究现状及难点 本众所周知，一个完整的家居环境组成有电梯、冰箱、灯光、空调、电磁 炉、插座等各种设备，能够实现这些设备的电子控制是 1984 年在美国率先实 现的，在这个家居建筑系统里面不仅能够控制家居，而且还能进行监控，收发 邮件和语言控制等功能。这算是智能家居的开创时代。智能家居的各种方案相 继出现在德国、日本、美国等经济比较发达的地区。美国电子工业协会于 1988 年编制了第 1 个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯 标准 ，也有称之为家庭总线系标准（HBS）3。最近几年，随着人们生活水平 的提高，智能家居技术不断成熟、三网融合的实现、物联网的发展，必然使智 能家居迎来了新的阶段。 随着移动智能手机的日益普及，尤其是安卓系统手机的高占有率，未来智 能家居控制的方向是智能移动设备。2014 年，依据第三方数据挖掘和整合营销 机构艾媒咨询（iiMedia Research）的数据，中国智能手机市场上半年的销量达 到 18556.3 万部，全年有望突破 4 亿部大关，约占全球销量的三分之一以上， 成为全球炙手可热的智能手机销售区域4。一款叫做 AndroidHome 的应用程 序在 Google 的年度的 I/O 开发者大会上被推出，家用电灯的开关可以通过该 程序在 Android 智能手机或智能平板电脑上控制其开关，其他主要的功能是可 以控制无线智能立体声音箱系统5。进入互联网时代，智能家居控制将成为国外 流行的时尚文化，据不完全统计，在未来十年中，该市场的容量高达到 600 亿 美元，是个十分巨大的市场机会。 我们国家的智能家居开始于 20 世纪 90 年代末。1999 年，国外智能家居 产品开始进入中国市场标志是外商永泰峰公司带着其 ApBus 产品参展出现在深 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） 3 圳首届高交会上。中国电力科学研究院在 1999 年开始了对电力线高速数据通 信技术的研究。2010 年，它显然已成为中国智能家居行业的拐点：国家关于物 联网与三网合一政策的大力支持，各个国内外优秀 IT、家电、通讯、安防等行 业领军企业开始全面涉足智能家居行业，无形中对中国智能家居行业做了一次 最大的规模的市场宣传与美好未来展望，可以说，中国智能家居行业开始由成 长正在走向成熟6。 近年来，Android 智能手机在中国占主导份额，Android 智能手机成了智能 家居控制终端的方向。2012 年 9 月，乐得威全功能 Android 智能家居软件正 式发布，乐得威智能家居终端软件集可方便的安装在 Android 智能手机上，手 机与家中的智能主机相连。具统计资料显示，目前我国已有 70%的安有网络宽 带，在一线、二线城市化进程中，将有 50%左右的住宅要实现智能化控制，由 此看来我国智能家居控制系统前景还是可观7。 蓝牙8技术是一种经济的无线解决方案，智能手机中都配备了蓝牙模块，蓝 牙具有方便、可靠、容易使用的特点。在智能家居的控制方面，蓝牙技术是相 当可靠的实现方式。我国将住宅小巧智能化定义为：利用 4C 技术，通过有效 的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成， 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值 服务与管理，提供安全舒适的家居环境9。 目前，该研究领域主要有以下几个难点：远程控制、图像处理、图像压缩、 图像解码等。首先，远程控制的难点是通过单片机和安卓手机之间的通讯，同 时能够保证信号的持续连接，通过单片机上面的按钮控制安卓手机拍照，达到 远程控制的目的，由于蓝牙的有效距离相对较短，智能手机型号的不同，要达 到稳定的控制是一个难点。其次就是图像处理，在本方案中可以通过安卓手机 选择不同的图片效果，通过 opencv 和安卓手机结合是一个比较大的难点。再有 就是图像压缩的难点，为了考虑图像传输的速度和效果，图像在从手机传输到 单片机的过程中需要先对图片进行压缩处理。最后就是图像解码，图像在传输 到单片机上面之后还要经过解码才能完整的显示在显示屏上，解码的效果直接 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） 4 影响了显示效果。 1.4本文的本文的研究内容研究内容 整个设计涉及到安卓系统和单片机，开发工作量大，不仅要实现单片机的 开发，蓝牙模块的调用，还需要完成安卓 SDK 开发、安卓 NDK 开发等。 本研究的具体容包括： (1) 单片机开发 单片机（Microcontrollers）10是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电 路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储 器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构 成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。 在单片机上，要实现蓝牙模块的调用，通过蓝牙，讲图像传输到单片机上， 同时在单片机 LCD 屏幕上显示出来，显示出来的同时会控制单片机上的蜂鸣 器，发出蜂鸣声。在单品机开发中要用到 CCS M4 底库，在底库中完成针脚的 调用，同时实现 LCD 主控芯片的控制。 (2) 蓝牙连接 单片机蓝牙模块和安卓手机的蓝牙连接是本设计的关键。蓝牙是一种经济 的无线解决方案11，蓝牙是一种短距离无线通信技术，成本低、功耗小、传输 速率较高、抗干扰能力强、组网灵活。蓝牙具有小型化无线电、低功率、低成 本、内置安全性、稳固、易于使用、即时联网等功能特点，是市场上得到认可 的主导短距离无线技术。蓝牙模块的开发模式分为 2 类: 单微控制器模式 1 双微控制器模式，即蓝牙低层协议与用户应用程序分别由主机控制器和主机 2 来实现。蓝牙通信实现主要是以下步骤， 第一步：初始化。 第二步：搜索蓝牙设备。 第三步：选定扫描到的设备并建立连接。 第四步：数据传输。 浙江工业大学本科毕业设计说明书（论文） 5 (3) 图像处理 随着多媒体技术的快速发展，对图像采集及处理技术系统的性能提出了更 高的要求12。在本方案中不仅涉及蓝牙模块的调用，安卓系统 APP 开发，还涉 及到图像处理相关技术实现，本方案中主要采用的是图像二值化处理的实现。 为了提高图像处理的速度，工业上一般采用处理过程相对简单的二值化图像， 因此如何合理选取二值化阈