毕业设计（论文）-家用无线视频监控系统的设计及实现.doc

毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1204 学生姓名 一、毕业论文设计题目 家用无线视频监控系统的设计及实现 二、毕业论文设计工作自_2015 _年_ 12 _月_ 日 起至_ 2016_年 6 月 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求：1、本次毕业设计要求如下： 设计一个家用无线视频监控系统，要求： 用户可通过使用手机客户端软件实时观看远程的监控视频，随时了解监控范围内的情况； 当监控区域有异常情况出现，监控现场应立刻声光报警，同时应在第一时间通过用户手机客户端软件报警，以提醒业主及相关家庭成员，及时采取相应措施，排除危险情况的发生。 用户使用手机客户端软件，可远程方便地对监控场所进行设防和撤防管理。 2、毕业设计成果要求： 程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（A4纸），论文有不少于3000词的相关英文中文翻译。 3、毕业设计时间安排： 14周：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告； 510周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计； 1112周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析； 1314周：毕业设计验收； 1516周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 家用无线视频监控系统的设计及实现（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1204班，陕西 汉中 723001）指导教师： 摘要家用无线视频监控系统可通过手机APP监控室内情况，在发生异常情况时，用户可做出相应的安全措施，以保证监控场所人身和财产的安全。该系统由703N型号的摄像头采集数据、图片等信息，通过串口传输给Atmega328p型号单片机，单片机处理后通过无线路由器传输到手机APP。当发生异常情况时，系统发出声光报警提示。该系统易于搭建、灵活性高、成本低，具有较高的实用价值。 关键词单片机;超声波;视频监视;Atmega328p Design and Implementation of Wireless Video Monitoring System Chenshanshan(Grade12,Class 4,Major of Communication Engineering，School of Physics and TelecommunicationEngineering of Shaanxi University of Technology, chenshanshan 723001,China)Tutor:zhangwenli abstract Twireless video monitoring system can spy on home which makes the corresponding safety measures under emergency to remind the user by the phone APP just in case. Eespeciall ensure the personal and property safety monitoring places.he system consists of 703 n types of cameras to collect data, pictures and other information, through the serial transmission to Atmega328p type microcontroller, single-chip microcomputer processing through the wireless router transmission to the phone APP. When an exception occurs, the system sends out sound and light alarm prompt. this device has the advantage of small volume,low cost,wide application,which has the strong practical value in application. key words MCU ultrasonic , Atmega328p , video surveillance目录引言11.课题研究背景21.1研究现状21.2发展前景21.3应用领域21.4本文研究的内容32. 方案论证42.1设计要求42.2方案设计42.3方案选择53. 硬件设计63.1系统组成63.2 单元电路设计63.2.1单片机控制电路63.3.2 斩波降压电路73.2.3 超声波检测电路83.2.4 晶振电路与复位电路93.2.5 报警电路103.2.6 模块数字量接口113.2.7 路由器与舵机摄像头114. 软件设计134.1程序设计思想134.2 部分程序设计模块134.2.1 主控程序模块134.2.2 超声波报警子程序134.2.3 视频监控子程序145. 系统的调试及分析155.1 软件程序调试155.1.1 软件介绍155.1.2 程序调试155.2 硬件调试155.3功能测试16结束语18致谢19参考文献20附录A：外文文献原文21附录B：外文献翻译29附录C：部分程序38附录D：元器件清单42附录E：实物图与原理图43IV陕西理工学院毕业设计引言现在，随着网络、计算机以及图像处理1、传输技术的迅速发展，视频监控制技术也有非常长远的发展，无线视频监控系统【2】是安全防范系统的重要组成部分，它是防范能力较强的一种综合系统。无线视频监控可以以其方便、直观信息丰富而内容广泛应用于许多场合。在这科技越来越发达的社会上出现了很多不安全事件，尤为突出的是盗窃事件，而且还是通过各种高科技手段。所以现在社会对于防盗事件也是严肃的态度，高度重视以防止出现更大的损失就是通过视频监控最为常见。同样的在现代社会中，视频监控系统是农业生产、交通运输、环保监测、公共安全、现代国防等领域的关键技术设备之一。无线视频监控是视频监控系统的重要组成部分，由于其具有灵活性好、移动性强、布点灵活、工程量小与工程周期短等优点，已逐渐成为视频监控领域的研究热点。本章介绍无线视频监控系统的背景、发展现状、研究意义以及本课题研究内容。此课题是根据视频监视系统的小型模块以及超声波报警系统的组合来完成家用无线视频监视系统，这种小型的系统可以应用于其他领域里。我是通过手机里的APP来监控室内的画面，若是有异常的情况出现，手机端也会有相应的提示，用户则会被通知有异常的情况。室内则是由超声波测距来检测是否有异常的情况，若是有异物被超声波检测到，则会有蜂鸣器报警装置发生声光报警。 实现实时传输是借助无线路由器进行实时串口通信传输，路由器就是作为一种媒介分别与单片和摄像头机连接，无线路由器为整个系统提供网络环境，为用户进行画面的采集与传输，使系统能够实现实时监控，其串口通信是通过USB接口与其他的设备相连接。监控画面的手机APP是利用WIFI智能小车的软件，其是一款Android客户端软件，来进行实时画面的抓拍。通过这样的小型系统可以为人们提示有异常情况出现，人们就可以有所警觉做到保护好自己的个人以及家里的经济财产以防有损失。 本设计作为本科毕业生来说，其内容还是较为复杂，但是作为研究的方向来说还是相对简单的。论文中详细介绍了设计方面的所有要点，并且附带了电路原理图和所有的相关程序。可以对无线控制方面的得到了解，同时，对这款单片机的实际应用能够更好的掌握。参考硬件电路及源程序进行调试，对系统的设计方法有一个明确的概括。将毕业设计实物更好的运用于实际中，与生活紧密的联系起来。毕业设计无线视频监控系统是大学生运用自己所学的专业和理论知识联系实际的一个很好的课题。第 21 页 共 48 页1.课题研究背景在21世纪，社会上安全防盗产业的主要方向是安全监控类型的产品，但是安全监控类的产品在专业领域中又分为防盗设备，门禁，对讲和视频监控等应用，在这些应用中，视频监控系统是最重要组成部分。在这科技越来越发达的社会上出现了很多不安全事件，尤为突出的是盗窃事件，而且还是通过各种高科技手段。所以防盗安全还是显得尤为重要的。这次毕业设计就是针对这个方向的进行简单的设计与实现，在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类电子产品。第一种是发展技术已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中被得到广的泛应用，尤为是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；第二种是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统基本解决了模拟系统部分弊端而迅速发展，但仍需进一步完善和发展。在应用中，视频监控系统是最重要组成部分。随着Android手机影响全世界以及不断成熟的WIFI技术2，基于Android手机和WIFI技术开发的娱乐软件也越来越多。为了更人性化的设置，在视频监控系统中由客户端监控管理软件的部分尤为关键。市场上网络摄像机种类也日渐增多，应用也日趋广泛。鉴于Android软件和WIFI技术是当下的热门话题，我认为对它们的开发和研究对于人们的生活和高新科技的发展都将会有很高的价值和意义。同样的在现代社会中，视频监控系统是农业生产、交通运输、环保监测、公共安全、现代国防等领域的关键技术设备之一。1.1研究现状第三代视频监控系统是以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以网络为依托，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。越来越多贴合行业应用需求的无线监控设备和方案已研制出来，如无线摄像机、无线视频服务器、无线车载硬盘录像机、车在动态取证系统、单兵取证系统系列无线视频监控产品及相关解决方案等。可以说无线视频监视正以快速的步伐走进用户的视野，在还有网络内无线视频监控也具有巨大的市场开发潜力。1.2发展前景无线监视控制系统是信息时代的产物，它以科学计算机和网络技术为核心，并且与现代人们日常需求相结合，希望的曙光即将显现。其发展前景主要有： （1）方便制作：无线视频监视系统是个小型的家用模块，容易制作。（2）成本低：用户不需要专门配置电脑和设备，手机就可以监控画面和接受到异常情况的消息，而且耗电量低，还性能稳定。（3）实时监控：只要监控设备与手机无线网络及观看APP正常就可以实时监控画面。（4）可拓展性：无线视频监视系统加上有报警装置与其他外设的联动是大势所趋。（5）人性化：可在未来对异常情况识别做出更进一步的研究，以及做到对画面监控有抓拍声音的记录。以便方便人们对视频监视的画面中能刚好的得到有用信息。1.3应用领域无线监视控制系统加上超声波检测报警装置是信息时代的产物，它以科学计算机和网络技术为核心，则其可以应用于多个领域中。 （1）是高端行业的视频监控的应用，比如检验疫苗的电子监管视频监控、交通的道路监控等。这些行业大多为大型化的城域性甚至全国性的行业视频监控系统。 （2）小型商店、中等规模连锁商业组织、医疗、教育机构银行、ATM自动取款机、医院图像分析等。如上海杭州已经能够实现全城的无线局域网的覆盖，如小区、高速公路、学校、港口等环境。 （3）由于超声检测3与视频监视系统是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。1.4本文研究的内容无线视频控制系统是一项以家庭安全人性化控制为主要目的，为人们安全生活带来诸多便利的一个系统。在日常生活中，它可以实时监控室内的人数，检测眼下室内是否有异物，能够对室内进行不同场景下的现场监视。本课题的研究范围主要有三大部分，一个是单片机的硬件部分，一个是摄像机单片机4软件部分，最后一个是摄像机Andorid客户端监控管理软件部分。其通过手机APP对家庭的实时监控，是由路由器的串口通信连接摄像头与单片机5，手机的APP对WIFI进行指令的控制，通过串口的连接在传输给路由器，在传输给单片机，单片机在通过相应的运算进行一系列的操作指令，然后在手机APP就可以监控到室内的画面。若是有异物进入室内，则声光报警模块立即发出报警的动作，可以立即通知手机主人，手机主人就可以立即做出相应的措施，以免有家庭经济损失，而且这种小型的家用无线视频监视成本小易操作，简单搭建非常实用。 鉴于上述研究背景，本系统将利用超声波测距报警，再根据根据手机APP实时异常提示，实时地对室内灯安全监控，针对本课题，计划采取如图1.1所示的设计思路。图1.1 系统整体设计思路2. 方案论证方案论证是对视频监视系统的构思，分析用何种方法可以实现，该方法有哪些好处以及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难易程度等作以比较，选择一个最优的解决方案。2.1设计要求从任务书的要求出发设计一个家用无线视频监控系统，要求如下： 用户可通过使用手机客户端软件实时观看远程的监控视频，随时了解监控范围内的情况。 当监控区域有异常情况出现，监控现场应立刻声光报警，同时应在第一时间通过用户手机客户端软件报警，以提醒业主及相关家庭成员，及时采取相应措施，排除危险情况的发生。 用户使用手机客户端软件，可远程方便地对监控场所进行设防和撤防管理。 本课题需要解决的问题就是围绕要求解决实现中遇到得各种问题。 2.2方案设计 方案一：采用WIFI模块的无线视频监控系统，基于WiFi模块的无线视频监控系统框图如图2.1所示。图2.1 WiFi模块的无线视频监控系统框图本方案应用的是单片机最下系统电路、无线视频画面的采集还有控制转发，还有声光报警指令以及舵机的转动指令。此设计时基于单片机Atmega328p的控制，实现家用无线视频监控系统。本系统是由无线路由器提供网络环境，单片机与摄像头均是和路由器进行串口通信，用USB接口相连接。用户可以使用安卓手机连上该网络摄像机的WiFi网络后打开该Android客户端软件能实时进行远程视频监控，并且可以通过界面的按钮移动摄像头左右上下四个方向的摆动和抓拍图片保存在手机里，也可以在Android客户端软件中查看，并对之前抓拍的图片进行管理。网络视频采集及控制指令转发电路由一个无线路由器和一个USB摄像头组成。其中无线路由器上带有USB接口，USB摄像头直接接入该无线路由器中，然后从无线路由器中引出其调试串口的TXD接口接到单片机最小系统的RXD引脚，这样便能将无线路由器接收到的控制指令传送到单片机中，单片机处理完成后做出相应的操作。由单片机控制的软件语言是C语言，安卓用户是的手机APP是采用java程序两大部分组成，所进行一系列的指令传达。以及本模块加入了超声波检测报警，有异常的情况就会出现报警的声音，还有手机APP的消息提示，从而达到了监控的功能。方案二：采用A/D和D/A转化的数字无线视频监控系统， A/D转换无线发射与 D/A转换无线接收框图如图2.2所示。图2.2 A/D转换无线发射与D/A转换无线接收框图所有图像是摄像头所采集到的图像信号经过C8051F310单片机内部的转换电路转换成视频信6号传给高速A/D，其把摄像头的模拟电压信号转换成对应的8位数据量，整个系统的中心环节就是单片机，单片机就将从A/D取得的数据信号经过处理后送给无线发射模块进行调制发送。把无线接收模块接收的信号进行解调，再用C8051F310单片机接收解调后的8位数据量。高速无线接收模块的开始与结束是由单片机通过指令控制，运算处理所得到的数据量然后再传送给高速D/A，其将数据量转换成对应的模拟量，然后送给显示设备。从而达到了监控的功能。2.3方案选择本章介绍了两个方案，两种方案各有优缺点都可以实现无线视频监控功能，但是本次毕业设计选择的是方案一。方案一电路简单，容易实现，使用范围广，可扩展用于银行、煤矿等安全地带可以很方便控制摄像头的电机进行检测。功耗低、软件编程较简单，WiFi模块的体积小、整个系统成本低。用单片机来实现无线视频监控系统，充分利用了单片机的资源。同时使用Atmega328p单片机和WiFi模块一起控制,系统也加入了声光报警模块7，各部分的硬件都是可以移动，搭建硬件非常的简单，非常的灵活而且体积也小，最方便的是利用手机APP软件进行监控，非常的人性化符合现在的人生活习惯手机不离手，可以做到实时监控，非常符合我们的设计思路，所以本设计采用方案一。其中方案二处理速度快，功能和可靠性强，视频中分辨率高，可以控制距离远，达到很好的效果，使用范围广。但是，电路通过信息采集、数据处理、传输、系统控制等部分组成，硬件电路结构复杂，需要使用高速的单片机和高速A/D与D/A转换芯片，电路实现和调试都相当困难。各芯片成本高，适用于专业场合，不便于本次毕业设计。其还需要电脑配备，进行专门的人看守画面，就会花费许多的人力资源和物力资源。无线视频监控系统，是一款简单易用的小型远程数字监控系统，与网络摄像机配套使用，可采用有线或无线方式连接网络，易于安装部署，不需要用户额外配置专用电脑和采集录像等设备。用户可采用手机监控终端设备，可随时随地接收报警信息和查看监控视频。本系统具有稳定可靠、经济实用等特点，可用于防火防盗、安全护卫、人员监护、远程管理等，特别适合个人、家庭、店铺等使用。3. 硬件设计一个完整系统的运作，首先必须建立在硬件基础之上，硬件设计要充分考虑到系统所应用的环境状况，影响系统稳定运行的各种干扰等因素，再据其功能选择性能可靠，性价比高，抗干扰强且精度较高的元器件。3.1系统组成基于设计方案的选定，该系统现以Atmega328p单片机作为控制装置的智能组件，其它外围电路主要包括：机晶振电路、复位电路、降压斩波电路、数字输出输入电路、超声波报警电路等如图3.1所示。图3.1 系统硬件组成根据产品功能的需求以及性价比，本课题选择的Arduino是一个硬件平台其单片机的型号是ATmeg32是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位COMS微控制器。由于其先进的指令以及单时钟周期指令执行时间，ATmea32的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ ,从而减轻系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AMS1117-5.0：DC、LM2596-5.0DC降压芯片，降压芯片利用斩波降压原理进行降压。超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块。LM358集成运放芯片。当有异物被超声波模块检测到，超声波会给单片机传送一个信号，同时单片机给报警的蜂鸣器一个指令，蜂鸣器就会发生报警。同时手机软件APP也会出现异物的画面，还有手机软件的提示，均是通过单片机的与摄像头的串口通信来实现的，从而达到家用无线视频监视系统的要求。3.2 单元电路设计3.2.1单片机控制电路此次毕设的系统选用的ATmega328主控芯片，控制主板是为Arduino UNO R3的板子。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板，ATmega328是UNO的处理器核心，UNO已经发布到第三版。Atmega328p芯片管脚图与实物图如图3.2所示。图3.2 为Atmega328p芯片管脚图与实物图ATmega328主控芯片它拥有数字输入/输出口14路（其中6路可作为PWM输出），模拟输入有6路，AVR内核具有丰富的指令和32个通用寄存器，一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，是因为所有的寄存器都是直接与算逻辑单元（ALU)相连接，同时这样的结构也大大提高了代码率，是普通的CISC微控制器的数据吞吐率8】的10倍。单片机的最小系统是由一个16MHz晶体振荡器和一个ICSP header以及一个复位按钮，当然还有一个USB口，一个电源插座。处理器 ATmega328其工作电压为5V，输入电压范围为 7-12V，输入电压范围为6-20V。若是电压超过了15伏电压，则板子会烧毁。其具体引脚说明如3.3表所示。表3.3 Atmega328p引脚功能VCC电源GND接地端口 A(PA7.PA0)端口 A 做为 A/D 转换器的模拟输入端。端口A为8为双向I/O口，具有内部上拉电阻。其输出缓冲具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。端口 B(PB7.PB0)端口B为8位为双向I/O口，具有内部上拉电阻。其输出缓冲具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。 端口 C(PC7.PC0)端口C为8位为双向I/O口，具有内部上拉电阻。其输出缓冲具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活除去移出数据的ATP 态外，TD0 引脚为高阻态，端口C也可以用做其他不同的特殊功能 。端口D（PD7.PDO)数字输入输出端口D为8位为双向I/O口，具有内部上拉电阻。其输出缓冲具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态，端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。单片机板子的RXD是WIFI模块的串口数据接收接口，连接路由器与单片机进行串口通信。单片机板子的TXD是WIFI模块的串口数据输出接口，连接路由器与单片机进行串口通信。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVC是端口与A/D转换器的电源，不使用ADC时，该引脚直接与Vcc时应通过一个低通滤波器与 Vcc连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。AREFA/D 的模拟基准输入引脚。通过对单片机型号的介绍以及各部分的引脚功能介绍，对Arduino UNO就有了较为全面的认识，以便后期的学习。3.3.2 斩波降压电路在本次毕设中斩波降压电路是将电池电源12V降到5V电压，为整个小型系统提供所需的电源。降压电路采用的是LM2596-5.0 DC降压芯片，电压斩波电路原理图如图3.4所示。图3.4 电压斩波电路原理图波降压电路也称为直流直流变换器（DC/DCConverter）9就是将直流电变为另一固定可调电压或电压的直流电。直流斩波电路是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，直流斩波电路包括6种基本斩波电路：升压斩波电路、降压斩波电路、升降压斩波电路、Sepic斩波电路、Cuk斩波电路、Zeta斩波电路。直流降压斩波电路主要分为三个部分，驱动电路模块、主电路模块、控制电路模块，除了这些主要模块之外，还需要考虑电路中控制电路与主电路的电气隔离以及电力电子器件的保护。在实际应用中IGBT为功率器件的直流斩波电路，是要求注意下列问题：栅极电阻10、系统损耗的问、驱动电路实现过流过压保护的问题。 板子的供电部分就是由电池电压提供12伏电压则，由于该单片机的承受电压是5伏电压，所以就采用斩波电路原理。通过降压芯片LM2596-5.0 DC稳压器11或USB的5V电压，为UNO上的5V芯片供电。3.3V通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。电源注意事项，设计时未经过处理的电源只能最大是15V,超过15V后会发热，整体性能就差了最终会烧毁板子。3.2.3 超声波检测电路超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，其原理图如图3.5所示。图3.5 HC-SR04超声波模块的原理图应用IO口TRIG 触发测距，高电平信号的给出时间至少为10us，模块自动发送 8个40khz 的方波，否有信号返回模块会自动检测；若是IO口 ECHO 输出一个高电平则表示有信号返回，超声波从发射到返回的时间就是高电平持续的时间，测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。这个模块可提供理论值2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。超声波传感器多为开放型也是市面上最为常见的一种，其内部结构有一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由个压电陶瓷片以及一个金属片组成的双压电晶片元件振动器。谐振器是呈喇叭形，有效地辐射由于振动而产生的超声波为目的，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。如果压电陶瓷受到电压作用时，就会随频率的变化和电压的变化产生机械变形。另一方面，压电陶瓷受到震动时，就会有一个电荷产生。根据这一原理，当给由一片压电陶瓷或者两片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，就叫双压电晶片元件。给与一个电信号时，它就会因为弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件被给予施加超声振动时，就会有一个电信号产生。根据以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。超声波是属于一种在弹性介质中的机械振荡12，若果其频率超过20KHz，分为纵向振荡和横向振荡两种。超声波在不同的媒介中的传播速度是不同的，它可以在气体、液体、固体中传播。同时，它也有反射现象和折射现象，而且在传播过程中有所衰减，这样超声波就会为报警电路做出反应。3.2.4 晶振电路与复位电路晶振是石英振荡器的简称，英文名字叫做Crystal，它是时钟电路中最重要的部分，如图3.6所示为晶振时钟电路图。图3.6 晶振时钟电路它是时钟电路中最重要的部分，为单片机提供时钟信号，一个机器周期拥有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。反向放大器的输入和输出分别为XTAL1和XTAL2。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。石英晶体振荡器的结构是利用石英晶体也就是二氧化硅的结晶体的电压效应制成一种特定的谐振器件，它的大致构成是从石英晶体上按一定的方位角切下薄片简称晶片它的形状可以为多样的，在它的两个对面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体和谐振荡器，它的产品外壳一般是金属包装，当然也有陶瓷、玻璃或者塑料。晶片之所以会产生形变是因为在晶体的两个电极加上电场，否则，如果在晶片相关的方向上产生电场，这种物理效应称之为压电效应。若是在晶片的两极上加上交变电压，晶体就会产生机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小，但当外加交变电压的频率为一定的值，振幅明显加大，比其他下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与回路的振谐现象十分相似，它的谐振频率与晶体的切割方式、尺寸、几何形状等有关。石英晶体振荡器的高稳定度和高精度的振荡器，其被广泛的应用于通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。本设计采用的是自动复位电路，为确保微机系统中电路稳定可靠工作，其基本电路如3.7图所示。图3.7 复位电路一般有外部按键手动复位以及上电自动复位，时钟电路在单片机中起作用后，当有2个机器周期的高电平在RESET端持续被给出，即就可以完成复位操作。如果复位信号持续时间应不小于2us时，那么使用的晶振频率则为12MHz。复位电路的组成：电路都是由比较的简单的元器件的组成的，一般情况只有电阻和电容组合，稍微复杂一点的就是有三极管等加程序进行操作。上电复位是复位电路的第一功能，一般情况下其工作所要的电压为5V5%，即4.755.25V，但是微机13电路是时序数字电路，必须要求为稳定的时钟序号。所以，在电源上电的时候，就对电源电压有范围限制4.75-5.25V之间，微机电路才会开始正常的工作，复位信号才会被撤出。分析：电路恢复到原始最初的起始状态，就是利用复位电路，就像计算机的清零按钮的作用一样，使操作界面回到了最初的原始状态，以便于进行下一步继续操作。但是又与计算器清零按钮有不一样的地方就是，启动复位电路的方法有所不同，一是马上进行复位操作在当给电路通电时；二是在必须的情况下进行手动复位操作；三是根据电路或者程序的运行，进行自动的复位操作。当VCC上电时，电容C就开始充电了，在10K电阻上出现高电位电压，就可以使单片机进行复位操作，几个毫秒后，10K电阻上电流降为0，C充满，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S22，C放电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。3.2.5 报警电路在本次毕设中报警电路起到了重大的作用，当发生异常的情况，电路会发生声光报警，报警电路的原理图如图3.8所示。图3.8 报警电路报警电路主要由由放大器和蜂鸣器构成，收到单片机的控制，由单片机直接输出的报警信号比较微弱，必须通过放大器放大，才能驱动蜂鸣器发出警报，其中蜂鸣器和LED灯分布在D8和3V3引脚引连接。在本次毕设中报警电路起到了重大的作用，为家庭的人身安全以及经济财产得到有效的保护作用。当超声波检测到有异物通过时，超声波会给单片机一个相应的信号，单片机就会做出反应给报警电路指令，则报警电路就会发出声光报警的操作。给人们有声光报警提示，家里的人们或者是持装有APP软件手机得人就会有消息提示，则人们会做出相应的保护措施，以防有损失。3.2.6 模块数字量接口Arduino开发板上数字输入输出引脚中的3、5、6、9和11都提供0V和5V之外的可变输出，其原理图如图3.9所示。图3.9 模块数字量接口Arduino开发板上数字输入输出引脚中的3、5、6、9和11都提供0V和5V之外的可变输出。在这些引脚的旁边，都会标有脉冲宽度调制-PWM，脉宽调制是pulse width modulation 其简写为PWM。模拟电路进行被控制是利用微处理器的数字输出来来进行操作的一种有效的技术。这种技术被广泛的应用于通信、测量到功率的控制与变化的许多领域。数字输出与模拟输出最直观的区别就是数字输出是二值的，只有0和1，而模拟输出的范围就比较广为0255之间变化。就像一架飞机，数字输出控制着飞机跑或者不跑，但是飞机的速度就必须得由模拟输出，因为模拟输出是会用到函数analogWrite(pin,value)，其中pin是输出的引脚号，value为0255之间的数值。所以这样的输出是精准的，这样飞机就会有准确的速度。通过这种函数，PWM通过0255之间的任意值来编程硬件，255为全功率，其中0为关闭，一个约490Hz的占空比可变的脉冲序列可由0255之间的任意一个值产生，其中Arduino软件限制PWM通道为8位计数器。3.2.7 路由器与舵机摄像头无线路由器为该系统提供网络，为单片机何摄像头进行串口通信提供环境，是本毕业设计的重要组成部分。路由器的型号为703N.实物图如图3.10所示。图3.10 无线路由器的模型图无线路由系统被植入一个OpenWrt系统，其中OpenWrt是一个开源的嵌入式Linux系统，该系统能配置其自动变成一个WIFI转串口模块，既可以进行串口通信。无线路由器上带有USB接口，USB摄像头直接接入该无线路由器中，然后从无线路由器中引出其调试串口的TXD接口接到单片机最小系统的RXD引脚，这样便能将无线路由器接收到的控制命令转发到单片机中，单片机处理完成后做出相应的操作。而信息的采集以及转发则由无线路由器完成，在该无线路由器中刷入内置了视频服务器程序的系统，该视频服务器程序能驱动与无线路由器连接的USB摄像头，并将其实时采集的信息通过局域网转发出去。无线路由器网络在正常的情况下，它的左下角有一个指示灯，它是蓝色的指示灯，它要着的时候就是表示，在通电情况下的网络正常。多次查相关资料，选用迷你型无线路由器来实移植OpenWrt系统。路由器为整个系统提供无线网络的环境，使得摄像头与单片机通过路由器的网络进行串口通信，实时传播室内的画面。可是经过调试得到的结果是，无线网络的网络传输的距离是有限的。手机APP的客户端软件所看的室内的画面，是由无线网络的提供的传输速率，它所传输的距离大概是10米以内。摄像头是监控室内画面的重要组成设备，摄像头的实物图如图3.11所示。图3.11 摄像头的实物图本系统的无在设计中的网络摄像头线路由系统被植入一个OpenWrt14系统，它有自动的WIFI模块，在客户端的安卓APP软件中看到的画面采集以及数据传输，就是该系统上移植开源视频服务器程序mjpg_streamer来实现USB摄像头采集视频数据以及传输。摄像头是一端与无线路由器相连接，另外一端是通过串口通信与单片机相连接。摄像头的型号是UVC摄像头。串口通信的端口连接舵机，它控制摄像头上下左右的摆动，理论值为上下摆动60度，左右是90度，实际则没有达到理论值的要求。摄像头对家里进行实时监控，将画面传达给手机APP。从图上可以看到两组串口接线，那两组线是与单片机进行串口通信，本设计中摄像头在这里只和WIFI模块进行了连接，我们通过在手机APP上发送命令，路由器模块接收到控制命令后，路由器里面的系统将会执行起来，开始驱动摄像头进行图像的回传，同时路由器模块与单片机进行串口通信，可以控制单片机来执行云台的控制。这样我们在手机端就可以看到回来的视频图像了。4. 软件设计本系统的完成不仅需要硬件的设置，还需要软件程序的设置，两者在完成这个设计的重要步骤，但是软件的设计是要以赢家的设计为基准的，软件就是有思想的指挥者，而硬件设置就是没有思想的执行者，它好像只听软件程序的指挥，所以软件是不可缺少的重要部分。4.1程序设计思想主程序的设计思想为通过单片机控制声光报警模块15、舵机云台、返回给WIFI模块一个串口通信，进行数据的回传。程序设计就是针对这些模块的一些设计。单片机主要是采用C语言编写，而安卓客户手机端的语言程序采用的是java程序。所设计的一定要根据实际的情况来设计，还要根据元器件的一些限制相结合。 所以我们要弄懂整个系统的流程框架，这样我才可以由硬件的设计来设计软件的程序，通过各种中断、执行顺序、模块主次的关系，以方便为后续写程序提供思路。4.2 部分程序设计模块4.2.1 主控程序模块在设计软件的程序时，采用的是模块化的思想，利用逻辑关系进行划分模块，其监控主程序流程如图4.1所示图4.1 监控主程序流程主程序控制分为监控主程序、定时器程序及命令处理子程序。监控主程序的基本任务是控制系统的稳定的运行和调用子程序。一个主程序可以调用多个子程序，主程序一般是一个无限循环的过程，即它将会反复调用子程序。子程序主要分为功能子程序与中断子程序，它们之间可以互相嵌套，也可以互相调用。一个主程序可以调用多个子程序，主程序一般是一个无限循环的过程，即它将会反复调用子程序。子程序主要分为功能子程序与中断子程序，它们之间可以互相嵌套，也可以互相调用。系统的多任务处理是由主程序控制执行的，它由超声波报警，视频监视模块，各个任务相互协调，相辅相成。4.2.2 超声波报警子程序超声波是软件部分的重要组成部分，超声波检测报警子程序工作流程图如图4.2所示。图4.2 超声波报警子程序流程图超声波的报警模块是整个系统的重要组成部分，当有异常的情况出现的时候，超声波16利用其原理会检测到给单片机发送一个指令，单片机会相应的给蜂鸣器报警模块一个控制命令，此时蜂鸣器和LED灯会发生声光报警的提示。4.2.3 视频监控子程序 视频监控子程序流程图如图4.3所示。图4.3 视频监控子程序流程图在本设计中，通过APP来发送相关控制命令，如：舵机转向、重力感应、拍照等功能。WIFI模块起到了中转站的作用，利用串口与单片机模块进行通信，实现与单片机模块的数据交换17，而APP的命令也是通过WIFI模块Linux系统的解析，让单片机收到相应的数据后实现各功能的执行。声光报警有单片机模块单独控制，实现报警的即时性。所以整个过程是形成了一个完整的闭环控制。5. 系统的调试及分析在这个系统基本设计成功后，是需要进行软件以及硬件的调试，这种方法也是一种检验系统的最真实的有效的办法，同样也是发现问题的过程。每次调试也肯定会有相应的问题出现，然后被发现被解决，直到各个模块都相互协调，能使整个系统能够正常运行即可。5.1 软件程序调试5.1.1 软件介绍Arduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境，语法是陈相对较为简单以及能方便的下载程序，它的界面也是很友陈好的，使得Arduino的程序开发变得非常便捷。Arduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境，其界面友好，语法简单以及能方便的下载程序，使得Arduino的程序开发变得非常便捷。作为一款开放源代码的软件，Arduino IDE也是由Java等开放源码陈的软件写成，其另一个最大特点是跨平台的兼容性，适用于Windows、Max OS X以及Linux。Arduino官方正式发布了Arduino1.0版本，可以