課程設(shè)計論文基于STM32的簡易照相機設(shè)計

1、基于stm32單片機的簡易照相機設(shè)計摘要：本文設(shè)計了一個簡易的照相機，包括嵌入式控制器stm32f407核心控制器、ov2640攝像頭、sd存儲電路、液晶顯示模塊和外圍輔助控制電路。文中從元器件的基本介紹開始，講述了制作簡易照相機的相關(guān)知識和攝像頭采集照片的基本原理、實現(xiàn)方法。設(shè)計還重點講解基于stm32f407如何用軟件控制ov2640攝像頭模塊采集圖像數(shù)據(jù)，進行實時顯示，再通過按鍵控制進行截圖拍照，拍照存儲為bmp格式的圖像，利用對sd卡的配置對圖像數(shù)據(jù)以文件的形式進行存儲，通過按鍵控制選擇圖像，最后在tft液晶顯示照片和攝像的具體方案。簡易照相機是對復(fù)雜繁瑣的數(shù)碼相機進行過濾，提出核心的

2、攝像和拍照部分，結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶，可以應(yīng)用于小區(qū)監(jiān)控等場所。關(guān)鍵詞：stm32單片機；ov2640攝像頭模塊；tft液晶屏；sd卡the design of simple camera based on stm32 microcontroller abstract: this paper presents a simple camera, including the core controller of embedded controller stm32f407, ov2640 camera, sd memory circuits, liquid crystal display module

3、s and peripheral sub-control circuit. in the beginning of the basic components,this paper describes about the production of simple basic principles and camera to capture the knowledge of the photo. the design also explain the program how to use the software to control ov2640 camera module image data

4、 collection real-time based on stm32f407,how to display the shot camera through control buttons, how to store images in bmp format, how to store the image data in the form of a file on the sd card, how to controlle the image by buttons,how to display specific programs last photo and video in tft lcd

5、. simple camera is complexed from cumbersome digital camera filter.it proposes the core part of camera and photo. it is easy to carry.it can be used in residential monitoring sites .keywords: stm32 microcontroller ; ov2640 camera module; tft lcd screen; sd card1.引言隨著社會的發(fā)展，各種新興行業(yè)營運而生，而老牌行業(yè)也在不斷改變創(chuàng)新，為了

6、迎合時代的發(fā)展，各個行業(yè)對于人才具備的技能的要求越來越苛刻。創(chuàng)新的字眼也不斷的出現(xiàn)在各個行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略計劃書上。而一個行業(yè)的創(chuàng)新的實質(zhì)是對于本質(zhì)的體現(xiàn)和升華。所以一個行業(yè)的創(chuàng)新首先抓住最本源的部分進行改造。通過照相機發(fā)展歷程可以看出，照相機的發(fā)展，其實是隨著人們的思維不斷的開拓創(chuàng)新從而得到發(fā)展的，人的思維無限制的想象創(chuàng)找出攝像藝術(shù)，而圖片和影像是直接反應(yīng)人們的想象的最好途徑，所以，相機是為了滿足人們的需要而產(chǎn)生的，是為了滿足人們的生活追求而發(fā)展的，而現(xiàn)在的數(shù)碼攝像技術(shù)有恰巧可以滿足人們的審美思維需求。對于攝像技術(shù)的發(fā)展是永無止境的，這個領(lǐng)域仍然需要人們的不斷探索。1.1設(shè)計背景現(xiàn)在，生活水平不

7、斷的提高，是現(xiàn)代社會發(fā)展的方向?？焖侔l(fā)展的數(shù)字攝像技術(shù)已經(jīng)為各個行業(yè)所應(yīng)用，像軍事，計算機，交通，旅游，醫(yī)療，手機及其他電子行業(yè)，這些行業(yè)都已經(jīng)和攝像技術(shù)密不可分。而時尚多功能的數(shù)碼相機已經(jīng)在市場上呈現(xiàn)指數(shù)趨勢增長，高像素化、小型化也是數(shù)碼相機發(fā)展的時代主題。但是，這并不意味著單一攝像功能的照相機會退出人們的生活。在一些場合中，單一攝像功能的便攜式相機仍然有非常大的用途。例如監(jiān)控和智能機器人等，這些科技發(fā)展和單一攝像功能的便攜式相機仍然是密不可分，在將來，單一便攜式相機會成為智能機器人的一個重要板塊。1.2 設(shè)計要求本設(shè)計的實現(xiàn)要求是必須掌握tftlcd液晶屏的使用原理和方法，并且通過學習和了

8、解攝像頭傳感器，以及圖片編碼解碼方式，實現(xiàn)照相機的照相功能，并且了解sd卡外部存儲設(shè)備的使用。要求實現(xiàn)設(shè)計的具體內(nèi)容如下：1、stm32單片機驅(qū)動液晶屏顯示攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)；2、截取圖像數(shù)據(jù)并使用sd卡存儲。3、通過stm32讀取sd卡里存儲的圖片并顯示。1.3設(shè)計意義數(shù)碼相機的發(fā)展飛速，而且成本也相對較高，研發(fā)和完善一個簡易照相機對于普通消費人群來說非常實用，而且可以用于各種生活場景。對于滿足人們的日常需求有很大的幫助。而且成本較低，容易攜帶，耗電也低。完善之后會有很大的市場。而且本身難度適中，對于我來說也是一個很好的鍛煉機會?，F(xiàn)在的學科與學科之間的界限已經(jīng)非常的模糊，相信在以后還會有

9、更多的更為簡便新穎的圖像采集方式出現(xiàn)，但是這都是基于現(xiàn)有的攝像基礎(chǔ)之上的。所以除去攝像技術(shù)的冗雜部分，留下精華所在，既能夠?qū)W習攝像的基本原理，也可以會幫助人們不會被固有的思維所定式，可以肆意發(fā)揮想象添加新的成分，也有利于以后對于這個方面技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。2總體設(shè)計概述2.1設(shè)計方案首先攝像頭模塊的采集照片的原理并不復(fù)雜，根絕查閱原理以及參考驅(qū)動代碼，實現(xiàn)驅(qū)動攝像頭采集圖像是比較方便快捷的，攝像頭模塊先把采集到的數(shù)據(jù)保存到一個存儲器中，然后單片機直接對攝像頭芯片寫命令，把數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，并且在tftlcd上顯示畫面。當有按鍵按下時，調(diào)用fatfs文件系統(tǒng)中的建立文件名函數(shù)，采集到圖像之后，要截

10、圖保存為bmp圖像格式的文件，并且在sd卡中創(chuàng)建一個文件夾。通過文件流的形式將bmp文件存儲到sd卡創(chuàng)建的文件夾中，實現(xiàn)存儲，然后繼續(xù)顯示，這個過程中如果想調(diào)出拍到的照片，就只需要按下按鍵，將sd卡中的指定文件夾中的bmp文件調(diào)用出來（注意這個文件夾中沒有別的文件，只有之前拍照得到的文件），再通過tft顯示出來。系統(tǒng)流程圖如圖2-1所示。攝像頭提取數(shù)據(jù)液晶屏顯示圖像檢測按鍵，執(zhí)行拍照 檢測按鍵，顯示圖片圖2-1系統(tǒng)設(shè)計方案方框圖2.2電路原理圖這個設(shè)計的方案是先用stm32單片機與ov2640攝像頭連接，進行圖像采集并顯示，將采集到的圖像信息通過tft液晶顯示屏顯示出來。然后進行掃描等待，當檢

11、測到有按鍵按下時停止顯示，若是拍照按鍵，則開始執(zhí)行截圖拍照功能，并存入sd卡的指定文件夾中。當保存完成之后，回復(fù)到之前攝像的狀態(tài)繼續(xù)等待。若是顯示按鍵，則讀取sd相應(yīng)文件夾中的圖片，用液晶屏顯示出來?？傮w電路設(shè)計框圖如圖2-2所示。單片機stm32f407ov2640sd卡復(fù)位電路tft液晶屏按鍵電路圖2-2系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖2.3 器件簡介2.3.1 stm32單片機簡介stm32單片機是由st公司發(fā)行的以cortexm3內(nèi)核為控制核心的微控制器，在2011年， st公司又推出基于cortexm4內(nèi)核的stm32f4系列產(chǎn)品。圖2-3 stm32芯片樣式圖stm32f4 家族目前擁有：stm3

12、2f40x、stm32f41x、stm32f42x 和 stm32f43x 等幾個系列，數(shù)十個產(chǎn)品型號，不同型號之間軟件和引腳具有良好的兼容性stm32f42x/43x 系列帶了 lcd 控制器和 sdram 接口。目前 stm32f4 這些芯片型號都已量產(chǎn)，可以方便的購買到，不過目前來說，性價比最高的是 stm32f407。stm32f4和stm32f1這兩個控制器相比，stm32f4有非常明顯的優(yōu)勢：1）有用更加先進的內(nèi)核。2）更多的資源可以利用。3）使用外設(shè)功能更加快速，靈敏。4）更高的性能，更低的功耗。所以該設(shè)計我選擇了stm32f4作為主控芯片。 2.3.2 tftlcd液晶屏（1）

13、tft lcd液晶屏簡介本設(shè)計中使用的液晶顯示器由薄膜晶體管構(gòu)成。其設(shè)計的實物圖如圖2-4所示，包括實物的正面和反面。圖2-4 tftlcd2.8寸屏實物圖這里采用tftlcd2.8寸屏幕，該模塊采用16位并行口與外部相連接?？紤]到設(shè)計中數(shù)據(jù)量的大小，本設(shè)計采用的攝像頭不用8位的傳輸方式。因為8位的低端攝像頭采集的圖像信息量少，傳輸?shù)乃俣炔粔蚩?，在視頻錄像的時候不清晰、而且有卡頓的現(xiàn)象，綜合考慮，我選擇16位的接口的ov2640攝像頭。（2）顯示模塊設(shè)計液晶顯示器的驅(qū)動芯片尤為重要，tft顯示模塊采用專用驅(qū)動芯片ili9341作為顯示屏的驅(qū)動芯片。ili9341液晶自帶172k的顯存，在圖像顯

14、示的時候，畫面比較連貫，特別是針對連續(xù)顯示的圖像。在16位模式下，ili9341采用rgb565 格式存儲顏色數(shù)據(jù)，能夠顯示很豐富的圖像信息。驅(qū)動芯片的18位數(shù)據(jù)線與嵌入式控制器的16位數(shù)據(jù)線以及液晶屏內(nèi)存的對應(yīng)關(guān)系如圖2-5所示。圖2-5對應(yīng)關(guān)系圖從圖中可以看出，低5位代表藍色，中間6位為綠色，高5位為紅色。數(shù)值越大，表示該顏色越深。對于顯示屏驅(qū)動，由于我使用的是顯示屏模塊，該模塊上已經(jīng)配置好了一些基本電路，所以實物中只需要直接連線即可，給出顯示電路了如圖2-6所示。圖2-6 顯示電路圖2.3.3 ov2640攝像頭.（1）ov2640傳感器簡介ov2640 傳感器是 ov公司生產(chǎn)的做為圖像

15、處理的芯片，大概是0.25寸。該采集圖像信息的傳感器相對體積較小、工作電壓為3.3v，提供照相機所需要的攝像和圖像處理能力，滿足一般照相機的要求。通過 sccb 內(nèi)部總線，系統(tǒng)可以得到想要一幀幀圖像，并且還可以實現(xiàn)調(diào)焦等功能。圖2-7 ov2460攝像頭模塊實物圖（2）ov2640攝像頭模塊設(shè)計為了方便，設(shè)計實物直接使用ov2640模塊采集圖像信息，傳感器的功能框圖如2-8所示。 圖2-8 ov2640功能框圖上圖表明，ov2640傳感器包含以下一些功能模塊。1）感光整列。2）模擬信號處理。3）10 位 a/d 轉(zhuǎn)換。4）數(shù)字信號處理器（dsp）。5）輸出格式模塊。6）壓縮引擎。7）微處理器。

16、8）sccb 接口。9）數(shù)字視頻接口。作為用戶，我只需要在該模塊連接在單片機上之后，對該模塊進行基本配置即可，可配置的參數(shù)有：設(shè)置圖像采集傳感器、設(shè)置圖像的大小、設(shè)置采集信息輸出大小。對于ov2640的圖像數(shù)據(jù)格式的輸出方式一般有2種，程序可以控制選擇哪一種輸出方式。攝像頭信息采集模塊的電路如圖2-9所示。圖2-9 ov2640模塊電路圖（3）stm32f4 dcmi接口簡介stm32f407 有一個數(shù)字攝像頭接口，這個接口采用并行的方式傳遞數(shù)據(jù)，可以選擇的性的快速接收來自外部的攝像頭模塊采集的圖像數(shù)據(jù)流。當數(shù)字攝像頭接收到的數(shù)據(jù)時，會把數(shù)據(jù)被放到一個32位內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中，然后直接讀取的方

17、式進行信息的交流。圖2-10 dcmi接口框圖本設(shè)計中只需要講攝像頭模塊與單片機的dcmi接口相連接，通過程序軟件即可直接控制，簡單方便。2.3.4 sd卡（1）sd卡簡介大容量存儲設(shè)備是單片機運行系統(tǒng)以及存儲數(shù)據(jù)時所必須的設(shè)備?，F(xiàn)在的開發(fā)系統(tǒng)上，通常使用大容量的sd卡存儲圖像信息，支持多種方式驅(qū)動，本設(shè)計的驅(qū)動方式采用spi通信驅(qū)動，現(xiàn)在的sd卡有多種，能滿足不同應(yīng)用的要求，本設(shè)計選用的就是市面上買到的普通的sd卡。（2）sdio控制器簡介stm32f407的控制器支持mmc 卡等設(shè)備，包含sdio適配器模塊和 apb2總線接口2個部分，在顯示的實際制作過程，其強大的功能方便使用者快速的控制

18、攝像頭。其功能框圖如下圖2-11所示。圖2-11 stm32f4的sdio控制器功能框圖圖像信息的數(shù)據(jù)是在內(nèi)部是以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸?shù)?，方便程序控制?shù)據(jù)在內(nèi)部的信息交互，例如：mmc卡數(shù)據(jù)傳輸。（3）sd卡接口電路圖2-12 sd卡接口電路圖本設(shè)計使用的單片機具有sd卡槽，只需將sd卡直接放入卡槽中然后使用程序輸入一些命令即可初始化。3.軟件設(shè)計3.1程序系統(tǒng)步驟stm32單片機通過攝像頭采集到圖像信息，進行等待顯示，檢測按鍵是否被按下，當有按鍵按下的時候，先暫停顯示，通過判斷按鍵值，來選擇執(zhí)行步驟，或進行拍照，或調(diào)出進行顯示。其中拍照和調(diào)處文件顯示這兩個步驟都是對特定的文件夾進行的。若檢測不到

19、該文件夾的存在，則在拍照的同時就建立該文件夾。當執(zhí)行顯示步驟的時候，圖片先以幻燈片的形式流水播放，可以通過按鍵進行暫停，并切換。最后重啟系統(tǒng)可以回復(fù)拍照功能。程序控制部分是整個照相機運行的核心，起著控制照相機所有運行狀態(tài)的作用。由于stm32f407單片機功能強大，使用方便的特點，這里選擇了st公司的stm32f407作為控制核心部件，其程序控制方框圖如圖3-1所示。建立文件夾保存圖片并存儲到該文件夾讀取圖片信息并顯示是否有按鍵按下判斷按鍵值暫停顯示檢測文件夾是否存在檢測文件夾是否存在從該文件夾中調(diào)出圖片進行顯示提示錯誤開始程序初始化判斷按鍵值上翻下翻結(jié)束是 是 否 否 是圖3-1系統(tǒng)的程序流

20、程圖照相機進入攝像后，即開始不停地掃描按鍵值，一旦檢測到按鍵被按下，程序就進入判斷程序，執(zhí)行相應(yīng)的步驟，這里我一共設(shè)置了四個按鍵。3.2 stm32單片機對各個模塊的初始化3.2.1 tft液晶屏的初始化過程一般tft 液晶屏模塊的使用過程如圖3-2所示。圖3-2 tftlcd 使用流程這里對于任何類似的液晶，都可以使用以上的圖來表示其使用過程。上圖中的，前兩步只需要執(zhí)行一次。對于液晶屏的畫點方法是：先設(shè)置好需要畫點的位置，然后寫入對應(yīng)的位置指令，最后寫入表示rgb的數(shù)據(jù)信息，完成這些就可以在液晶屏對應(yīng)的點畫出設(shè)計的顏色。讀點方法和畫點方法類似，也是按照上圖中的步驟進行處理就好了，從這里可以得

21、到設(shè)置tft液晶顯示所需要的相關(guān)步驟如下：1）首先配置io端口；2）初始化tft lcd模塊；3）通過函數(shù)將信息顯示到tft液晶屏。首先初始化相應(yīng)的io口，主要是為了驅(qū)動lcd，將io端口配置成lcd所需要的模式，有關(guān)io口的配置有八種工作方式（這部分內(nèi)容可以參考stm32f4中文參考手冊這里不做細致介紹）。有關(guān)初始化tftlcd，其實就是向液晶屏控制器中寫入初始化的設(shè)置值，它規(guī)定怎么顯示圖像信息。本設(shè)計直接使用的是由系統(tǒng)默認的初始化序列，只有在初始化成功之后，lcd才能正常使用。3.2.2 ov2640傳感器初始化過程1）配置ov2640控制引腳，并配置ov2640工作模式ov2640通過對

22、寄存器進行配置，再設(shè)置對應(yīng)輸出輸入狀態(tài)，退出掉電模式，然后復(fù)位ov2640攝像頭，之后再結(jié)束復(fù)位，然后就是對攝像頭進行基礎(chǔ)化的設(shè)置，可以根據(jù)實際的需要，設(shè)置圖像的輸出格式，例如：jpeg。2 ）配置相關(guān)引腳的模式和復(fù)用功能 ，使能時鐘。首先把引腳設(shè)置成攝像頭需要的配置，然后對于個別引腳，需要開啟復(fù)用功能，因為在單片機中很多引腳實際上會設(shè)有很多功能，如果需要開啟某一項功能的話，需要開啟復(fù)用。3 ）配置dcmi相關(guān)設(shè)置 。系統(tǒng)在這里是設(shè)置dcmi_cr 寄存器，同時開啟幀中斷，編寫dcmi中斷服務(wù)函數(shù)，方便進行數(shù)據(jù)處理。另外，實際的顯示過程中，系統(tǒng)通常采用jpeg的方式輸出圖像，我們只需要采用正常

23、模式直接采集。4 ）配置dma 。（有關(guān)stm32的另一個小知識點，由于篇幅原因，不過多介紹）這里我采用的是連續(xù)采集模式并將采集到的數(shù)據(jù)輸出到lcd（rgb565模式或內(nèi)存（jpeg模式），所以源地址都是dcmi_dr，而目的地址可能是lcd->ram或者sram的地址。dcmi的dma傳輸采用的是dma2數(shù)據(jù)流1的通道1來實現(xiàn)的。（有關(guān)dma知識，可以查閱stm32開發(fā)指南）5 ）設(shè)置ov2640的圖像輸出大小，使能dcmi捕獲。開啟dcmi捕獲是通過調(diào)用庫函數(shù)進行開啟的，只需要開啟相應(yīng)寄存器的使能位即可正常工作了。開啟dcmi捕獲的方法如下：dcmi_capturecmd(enabl

24、e);/dcmi 捕獲使能（函數(shù)內(nèi)容過多，就不貼出來了）3.2.3 sd卡初始化過程系統(tǒng)在驅(qū)動sd卡的過程中，最重要的步驟就是sd卡的初始化，一般都有一套標準的流程。我對sd卡的初始化主要是調(diào)用官方提供的庫函數(shù)進行初始化，其內(nèi)容就是首先需要給卡上電，通電后寫入一個復(fù)位指令對卡進行軟復(fù)位，之后緊接著在傳遞另一個指令（這里指令的引用需要參考固定的范式），用于區(qū)分不同的sd卡。主機通過acmd41的參數(shù)設(shè)置來發(fā)送指令。4、系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析4.1設(shè)計實現(xiàn)本課題研究的內(nèi)容主要是簡易照相機設(shè)計。以stm32f407開發(fā)板為基礎(chǔ)，使用了tft液晶顯示屏模塊，ov2640攝像頭模塊和sd卡接口模塊。取得了以

25、下成果。（1）通電之后，程序可以正常運行，檢測各個模塊是否初始化成功，成功了則開始實時顯示圖像。不成功則屏幕提示錯誤。（2）經(jīng)過反復(fù)的實驗證明，攝像頭模塊可以在燈光良好的情況下采集到清晰的圖片，并且顯示照片的時候，可以非常清晰，不會有顯示不穩(wěn)定的現(xiàn)象出現(xiàn)，但是如果說沒有拍照便直接顯示，系統(tǒng)會出現(xiàn)短暫遲鈍的現(xiàn)象。采集照片的時候，液晶屏會停止接受攝像頭數(shù)據(jù)，當拍照結(jié)束之后，還可以繼續(xù)接受圖像數(shù)據(jù)進行顯示。但是當進入到圖片顯示過程的時候，程序無法在退回拍照功能，只可以通過復(fù)位按鍵重新運行程序進行拍照。（3）照相機設(shè)置了兩種圖片模式，一種是bmp模式，一種是jpg模式。在互不干擾的情況下可以進行顯示。

26、而且在正常顯示的過程中可以以幻燈片的形式播放圖片，兩種圖片由于格式不同，播放形式不同?？梢酝ㄟ^按鍵控制幻燈片的停止與進行。（4）拍照過程還可以調(diào)焦距。在設(shè)計過程中，程序中添加了調(diào)焦距的功能，但是只能放大一倍。圖像會由于攝像頭的像素問題，放大之后會有點點模糊，但是不會影響圖像的觀看。4.2出現(xiàn)的問題和解決的方法在實物制作中，最開始我嘗試自己焊接stm32的最小系統(tǒng)，但是發(fā)現(xiàn)最小系統(tǒng)的電路太過復(fù)雜，而且sd卡接口部分電路無法手焊，所以直接使用了開發(fā)板進行試驗，整個開發(fā)板我只使用了它現(xiàn)成的電路接口。實物的穩(wěn)定也全靠開發(fā)版的電路穩(wěn)定，如果使用最小系統(tǒng)板也是可以的，由于資金問題，我并未花錢購買，而是直接

27、使用的手邊有的開發(fā)板。程序編寫的過程中，基本上是參考每一種外設(shè)提供的驅(qū)動源碼，由于外設(shè)在使用過程中，內(nèi)部寄存器基本都固定配置的，所以直接參考官方提供的源碼比較方便快捷，只需要掌握一些關(guān)鍵部分即可，例如程序中攝像頭數(shù)據(jù)提取部分，tft顯示源碼，還有sd卡存儲數(shù)據(jù)和調(diào)出數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，這些官方提供的程序源碼只需要理解這些關(guān)鍵部分，即可很好的使用。開發(fā)板的電路穩(wěn)定，外設(shè)的官方源碼的周密，讓我在實物制作過程中相當輕松，雖然感覺比較偷工減料，但是需要了解的地方也基本了解了，而且省時省力。當然也會有一些難題，主要難題在于整個過程中我自己的程序功底并不扎實，會有一些語句不懂不會調(diào)用，例如在程序中實現(xiàn)圖像的截

28、取，這個部分我并不能很好的理解，在后面實物制作過程中曾經(jīng)為難了我一段時間，不過在之后花了大量的時間，也是勉強攻破了這個難關(guān)，不過很明顯能體現(xiàn)出自己的水平不夠，仍然需要好好的學習。4.3電路實物圖展示結(jié)論這次的制作雖然沒有親自動手焊接電路，但是制作過程也是查閱很多資料才能完成的，首先是自己的基礎(chǔ)不扎實，不可以自己按照外設(shè)的寄存器要求自己編寫程序，只能使用官方源碼，再者，整個實物牽涉到一些在學校中未曾接觸到的一些知識，我對于這些知識并沒有很好的認知和學習，可以這樣說，之前選擇這個題目，是盲目的！不過這也是老師的用心之處，他給我指出了對于軟件方面的發(fā)展之路，通過這次實物的制作，讓我了解到了嵌入式這一廣闊的天