基于STM32的简易照相机设计.docx
《基于STM32的简易照相机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32的简易照相机设计.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于STM32的简易照相机设计
基于STM32的简易照相机设计（2016年5月30日）
基于STM32单片机的简易照相机设计
摘要：
本文设计了一个简易的照相机，包括嵌入式控制器STM32F407核心控制器、OV2640摄像头、SD存储电路、液晶显示模块和外围辅助控制电路。
文中从元器件的基本介绍开始，讲述了制作简易照相机的相关知识和摄像头采集照片的基本原理、实现方法。
设计还重点讲解基于STM32F407如何用软件控制OV2640摄像头模块采集图像数据，进行实时显示，再通过按键控制进行截图拍照，拍照存储为BMP格式的图像，利用对SD卡的配置对图像数据以文件的形式进行存储，通过按键控制选择图像，最后在TFT液晶显示照片和摄像的具体方案。
简易照相机是对复杂繁琐的数码相机进行过滤，提出核心的摄像和拍照部分，结构简单、便于携带，可以应用于小区监控等场所。
关键词：
STM32单片机；OV2640摄像头模块；TFT液晶屏；SD卡
TheDesignofSimpleCameraBasedon
STM32Microcontroller
本设计的实现要求是必须掌握TFTLCD液晶屏的使用原理和方法，并且通过学习和了解摄像头传感器，以及图片编码解码方式，实现照相机的照相功能，并且了解SD卡外部存储设备的使用。
要求实现设计的具体内容如下：
1、STM32单片机驱动液晶屏显示摄像头采集到的图像数据；
2、截取图像数据并使用SD卡存储。
3、通过STM32读取SD卡里存储的图片并显示。
1.3设计意义
数码相机的发展飞速，而且成本也相对较高，研发和完善一个简易照相机对于普通消费人群来说非常实用，而且可以用于各种生活场景。
对于满足人们的日常需求有很大的帮助。
而且成本较低，容易携带，耗电也低。
完善之后会有很大的市场。
而且本身难度适中，对于我来说也是一个很好的锻炼机会。
现在的学科与学科之间的界限已经非常的模糊，相信在以后还会有更多的更为简便新颖的图像采集方式出现，但是这都是基于现有的摄像基础之上的。
所以除去摄像技术的冗杂部分，留下精华所在，既能够学习摄像的基本原理，也可以会帮助人们不会被固有的思维所定式，可以肆意发挥想象添加新的成分，也有利于以后对于这个方面技术的创新发展。
2．总体设计概述
2.1设计方案
首先摄像头模块的采集照片的原理并不复杂，根绝查阅原理以及参考驱动代码，实现驱动摄像头采集图像是比较方便快捷的，摄像头模块先把采集到的数据保存到一个存储器中，然后单片机直接对摄像头芯片写命令，把数据从存储器中读出，并且在TFTLCD上显示画面。
当有按键按下时，调用FATFS文件系统中的建立文件名函数，采集到图像之后，要截图保存为BMP图像格式的文件，并且在SD卡中创建一个文件夹。
通过文件流的形式将BMP文件存储到SD卡创建的文件夹中，实现存储，然后继续显示，这个过程中如果想调出拍到的照片，就只需要按下按键，将SD卡中的指定文件夹中的BMP文件调用出来（注意这个文件夹中没有别的文件，只有之前拍照得到的文件），再通过TFT显示出来。
系统流程图如图2-1所示。
图2-1系统设计方案方框图
2.2电路原理图
这个设计的方案是先用STM32单片机与OV2640摄像头连接，进行图像采集并显示，将采集到的图像信息通过TFT液晶显示屏显示出来。
然后进行扫描等待，当检测到有按键按下时停止显示，若是拍照按键，则开始执行截图拍照功能，并存入SD卡的指定文件夹中。
当保存完成之后，回复到之前摄像的状态继续等待。
若是显示按键，则读取SD相应文件夹中的图片，用液晶屏显示出来。
总体电路设计框图如图2-2所示。
图2-2系统的总体架构图
2.3器件简介
2.3.1STM32单片机简介
STM32单片机是由ST公司发行的以CortexM3内核为控制核心的微控制器，在2011年，ST公司又推出基于CortexM4内核的STM32F4系列产品。
图2-3STM32芯片样式图
STM32F4家族目前拥有：
STM32F40x、STM32F41x、STM32F42x和STM32F43x等几个系列，数十个产品型号，不同型号之间软件和引脚具有良好的兼容性STM32F42x/43x系列带了LCD控制器和SDRAM接口。
目前STM32F4这些芯片型号都已量产，可以方便的购买到，不过目前来说，性价比最高的是STM32F407。
STM32F4和STM32F1这两个控制器相比，STM32F4有非常明显的优势：
1）有用更加先进的内核。
2）更多的资源可以利用。
3）使用外设功能更加快速，灵敏。
4）更高的性能，更低的功耗。
所以该设计我选择了STM32F4作为主控芯片。
2.3.2TFTLCD液晶屏
（1）TFTLCD液晶屏简介
本设计中使用的液晶显示器由薄膜晶体管构成。
其设计的实物图如图2-4所示，包括实物的正面和反面。
图2-4TFTLCD2.8寸屏实物图
这里采用TFTLCD2.8寸屏幕，该模块采用16位并行口与外部相连接。
考虑到设计中数据量的大小，本设计采用的摄像头不用8位的传输方式。
因为8位的低端摄像头采集的图像信息量少，传输的速度不够快，在视频录像的时候不清晰、而且有卡顿的现象，综合考虑，我选择16位的接口的OV2640摄像头。
（2）显示模块设计
液晶显示器的驱动芯片尤为重要，TFT显示模块采用专用驱动芯片ILI9341作为显示屏的驱动芯片。
ILI9341液晶自带172K的显存，在图像显示的时候，画面比较连贯，特别是针对连续显示的图像。
在16位模式下，ILI9341采用RGB565格式存储颜色数据，能够显示很丰富的图像信息。
驱动芯片的18位数据线与嵌入式控制器的16位数据线以及液晶屏内存的对应关系如图2-5所示。
图2-5对应关系图
从图中可以看出，低5位代表蓝色，中间6位为绿色，高5位为红色。
数值越大，表示该颜色越深。
对于显示屏驱动，由于我使用的是显示屏模块，该模块上已经配置好了一些基本电路，所以实物中只需要直接连线即可，给出显示电路了如图2-6所示。
图2-6显示电路图
2.3.3OV2640摄像头
.
（1）OV2640传感器简介
OV2640传感器是OV公司生产的做为图像处理的芯片，大概是0.25寸。
该采集图像信息的传感器相对体积较小、工作电压为3.3V，提供照相机所需要的摄像和图像处理能力，满足一般照相机的要求。
通过SCCB内部总线，系统可以得到想要一帧帧图像，并且还可以实现调焦等功能。
图2-7OV2460摄像头模块实物图
（2）OV2640摄像头模块设计
为了方便，设计实物直接使用OV2640模块采集图像信息，传感器的功能框图如2-8所示。
图2-8OV2640功能框图
上图表明，OV2640传感器包含以下一些功能模块。
1）感光整列。
2）模拟信号处理。
3）10位A/D转换。
4）数字信号处理器（DSP）。
5）输出格式模块。
6）压缩引擎。
7）微处理器。
8）SCCB接口。
9）数字视频接口。
作为用户，我只需要在该模块连接在单片机上之后，对该模块进行基本配置即可，可配置的参数有：
设置图像采集传感器、设置图像的大小、设置采集信息输出大小。
对于OV2640的图像数据格式的输出方式一般有2种，程序可以控制选择哪一种输出方式。
摄像头信息采集模块的电路如图2-9所示。
图2-9OV2640模块电路图
（3）STM32F4DCMI接口简介
STM32F407有一个数字摄像头接口，这个接口采用并行的方式传递数据，可以选择的性的快速接收来自外部的摄像头模块采集的图像数据流。
当数字摄像头接收到的数据时，会把数据被放到一个32位内部的数据寄存器中，然后直接读取的方式进行信息的交流。
图2-10DCMI接口框图
本设计中只需要讲摄像头模块与单片机的DCMI接口相连接，通过程序软件即可直接控制，简单方便。
2.3.4SD卡
（1）SD卡简介
大容量存储设备是单片机运行系统以及存储数据时所必须的设备。
现在的开发系统上，通常使用大容量的SD卡存储图像信息，支持多种方式驱动，本设计的驱动方式采用SPI通信驱动，现在的SD卡有多种，能满足不同应用的要求，本设计选用的就是市面上买到的普通的SD卡。
（2）SDIO控制器简介
STM32F407的控制器支持MMC卡等设备，包含SDIO适配器模块和APB2总线接口2个部分，在显示的实际制作过程，其强大的功能方便使用者快速的控制摄像头。
其功能框图如下图2-11所示。
图2-11STM32F4的SDIO控制器功能框图
图像信息的数据是在内部是以数据块的形式传输的，方便程序控制数据在内部的信息交互，例如：
MMC卡数据传输。
（3）SD卡接口电路
图2-12SD卡接口电路图
本设计使用的单片机具有SD卡槽，只需将SD卡直接放入卡槽中然后使用程序输入一些命令即可初始化。
3.软件设计
3.1程序系统步骤
STM32单片机通过摄像头采集到图像信息，进行等待显示，检测按键是否被按下，当有按键按下的时候，先暂停显示，通过判断按键值，来选择执行步骤，或进行拍照，或调出进行显示。
其中拍照和调处文件显示这两个步骤都是对特定的文件夹进行的。
若检测不到该文件夹的存在，则在拍照的同时就建立该文件夹。
当执行显示步骤的时候，图片先以幻灯片的形式流水播放，可以通过按键进行暂停，并切换。
最后重启系统可以回复拍照功能。
程序控制部分是整个照相机运行的核心，起着控制照相机所有运行状态的作用。
由于STM32F407单片机功能强大，使用方便的特点，这里选择了ST公司的STM32F407作为控制核心部件，其程序控制方框图如图3-1所示。
是
是否
否是
图3-1系统的程序流程图
照相机进入摄像后，即开始不停地扫描按键值，一旦检测到按键被按下，程序就进入判断程序，执行相应的步骤，这里我一共设置了四个按键。
3.2STM32单片机对各个模块的初始化
3.2.1TFT液晶屏的初始化过程
一般TFT液晶屏模块的使用过程如图3-2所示。
图3-2TFTLCD使用流程
这里对于任何类似的液晶，都可以使用以上的图来表示其使用过程。
上图中的，前两步只需要执行一次。
对于液晶屏的画点方法是：
先设置好需要画点的位置，然后写入对应的位置指令，最后写入表示RGB的数据信息，完成这些就可以在液晶屏对应的点画出设计的颜色。
读点方法和画点方法类似，也是按照上图中的步骤进行处理就好了，从这里可以得到设置TFT液晶显示所需要的相关步骤如下：
1）首先配置IO端口；
2）初始化TFTLCD模块；
3）通过函数将信息显示到TFT液晶屏。
首先初始化相应的IO口，主要是为了驱动LCD，将IO端口配置成LCD所需要的模式，有关IO口的配置有八种工作方式（这部分内容可以参考《STM32F4中文参考手册》这里不做细致介绍）。
有关初始化TFTLCD，其实就是向液晶屏控制器中写入初始化的设置值，它规定怎么显示图像信息。
本设计直接使用的是由系统默认的初始化序列，只有在初始化成功之后，LCD才能正常使用。
3.2.2OV2640传感器初始化过程
1）配置OV2640控制引脚，并配置OV2640工作模式
OV2640通过对寄存器进行配置，再设置对应输出输入状态，退出掉电模式，然后复位OV2640摄像头，之后再结束复位，然后就是对摄像头进行基础化的设置，可以根据实际的需要，设置图像的输出格式，例如：
JPEG。
2）配置相关引脚的模式和复用功能，使能时钟。
首先把引脚设置成摄像头需要的配置，然后对于个别引脚，需要开启复用功能，因为在单片机中很多引脚实际上会设有很多功能，如果需要开启某一项功能的话，需要开启复用。
3）配置DCMI相关设置。
系统在这里是设置DCMI_CR寄存器，同时开启帧中断，编写DCMI中断服务函数，方便进行数据处理。
另外，实际的显示过程中，系统通常采用JPEG的方式输出图像，我们只需要采用正常模式直接采集。
4）配置DMA。
（有关STM32的另一个小知识点，由于篇幅原因，不过多介绍）
这里我采用的是连续采集模式并将采集到的数据输出到LCD（RGB565模式或内存（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传输采用的是DMA2数据流1的通道1来实现的。
（有关DMA知识，可以查阅STM32开发指南）
5）设置OV2640的图像输出大小，使能DCMI捕获。
开启DCMI捕获是通过调用库函数进行开启的，只需要开启相应寄存器的使能位即可正常工作了。
开启DCMI捕获的方法如下：
DCMI_CaptureCmd（ENABLE）;//DCMI捕获使能（函数内容过多，就不贴出来了）
3.2.3SD卡初始化过程
系统在驱动SD卡的过程中，最重要的步骤就是SD卡的初始化，一般都有一套标准的流程。
我对SD卡的初始化主要是调用官方提供的库函数进行初始化，其内容就是首先需要给卡上电，通电后写入一个复位指令对卡进行软复位，之后紧接着在传递另一个指令（这里指令的引用需要参考固定的范式），用于区分不同的SD卡。
主机通过ACMD41的参数设置来发送指令。
4、系统调试与结果分析
4.1设计实现
本课题研究的内容主要是简易照相机设计。
以STM32F407开发板为基础，使用了TFT液晶显示屏模块，OV2640摄像头模块和SD卡接口模块。
取得了以下成果。
（1）通电之后，程序可以正常运行，检测各个模块是否初始化成功，成功了则开始实时显示图像。
不成功则屏幕提示错误。
（2）经过反复的实验证明，摄像头模块可以在灯光良好的情况下采集到清晰的图片，并且显示照片的时候，可以非常清晰，不会有显示不稳定的现象出现，但是如果说没有拍照便直接显示，系统会出现短暂迟钝的现象。
采集照片的时候，液晶屏会停止接受摄像头数据，当拍照结束之后，还可以继续接受图像数据进行显示。
但是当进入到图片显示过程的时候，程序无法在退回拍照功能，只可以通过复位按键重新运行程序进行拍照。
（3）照相机设置了两种图片模式，一种是BMP模式，一种是JPG模式。
在互不干扰的情况下可以进行显示。
而且在正常显示的过程中可以以幻灯片的形式播放图片，两种图片由于格式不同，播放形式不同。
可以通过按键控制幻灯片的停止与进行。
（4）拍照过程还可以调焦距。
在设计过程中，程序中添加了调焦距的功能，但是只能放大一倍。
图像会由于摄像头的像素问题，放大之后会有点点模糊，但是不会影响图像的观看。
4.2出现的问题和解决的方法
在实物制作中，最开始我尝试自己焊接STM32的最小系统，但是发现最小系统的电路太过复杂，而且SD卡接口部分电路无法手焊，所以直接使用了开发板进行试验，整个开发板我只使用了它现成的电路接口。
实物的稳定也全靠开发版的电路稳定，如果使用最小系统板也是可以的，由于资金问题，我并未花钱购买，而是直接使用的手边有的开发板。
程序编写的过程中，基本上是参考每一种外设提供的驱动源码，由于外设在使用过程中，内部寄存器基本都固定配置的，所以直接参考官方提供的源码比较方便快捷，只需要掌握一些关键部分即可，例如程序中摄像头数据提取部分，TFT显示源码，还有SD卡存储数据和调出数据的关键部分，这些官方提供的程序源码只需要理解这些关键部分，即可很好的使用。
开发板的电路稳定，外设的官方源码的周密，让我在实物制作过程中相当轻松，虽然感觉比较偷工减料，但是需要了解的地方也基本了解了，而且省时省力。
当然也会有一些难题，主要难题在于整个过程中我自己的程序功底并不扎实，会有一些语句不懂不会调用，例如在程序中实现图像的截取，这个部分我并不能很好的理解，在后面实物制作过程中曾经为难了我一段时间，不过在之后花了大量的时间，也是勉强攻破了这个难关，不过很明显能体现出自己的水平不够，仍然需要好好的学习。
4.3电路实物图展示
结论
这次的制作虽然没有亲自动手焊接电路，但是制作过程也是查阅很多资料才能完成的，首先是自己的基础不扎实，不可以自己按照外设的寄存器要求自己编写程序，只能使用官方源码，再者，整个实物牵涉到一些在学校中未曾接触到的一些知识，我对于这些知识并没有很好的认知和学习，可以这样说，之前选择这个题目，是盲目的！
不过这也是老师的用心之处，他给我指出了对于软件方面的发展之路，通过这次实物的制作，让我了解到了嵌入式这一广阔的天地！
所以，我觉得这次设计，完成与否都是次要，主要是老师的良苦用心！
实物的制作需要动手实现，但是由于各种原因，我选择了最偷工减料的开发板进行实现，因为我觉得这个题目的主题并不是实物的制作，而是对于程序方面的一次考验！
因为外设并不是很多，而且电路也太过细致，没办法手工焊出，而且STM32的最小系统并不经济，所以我并未选择购买，而是选择了老师给我提供的开发板进行实物制作。
对于程序方面，很多内容是我现在的学习程度无法理解的，于是在老师的指引下，我开始一点点的专研其中不懂的地方，虽然实物制作出来之后对于整个外设驱动源码的理解还是模棱两可。
可是相比之前那已经算是很清晰了。
老师也说，这是一大块内容，并不是三两天能够学习好的，所以我会在以后的学习过程中认准方向，更加努力。
致谢
首先这次制作中，我有一些一起参加全国电赛的同学，他们之前做过相关的研究，并且取得了一定的成绩，在我最开始的制作时，他们给了我一些大致的方向，并且向我提供了一些非常有用的文档，在此感谢。
在中期的学习过程中老师给了我至关重要的作用，给我指明了学习的方向和学习的道路。
通过从网上查阅出来的资料，始终是没有头绪和章法的，老师直接给了我一套教程让我学习，之后的实物制作的灵感和思路也是来源于老师给的教程。
并且在实物制作的时候，老师考虑了我的情况，慷慨的把自己的开发板借给我使用，而且还尽力满足我的一些需求。
在此，老师需要我诚心感谢，老师的指导，终身受用。
最后实物制作的过程，是在寝室进行的，我需要感谢我的几个室友。
室友对我的论文制作也是积极帮助，给我提供一个有力条件，有时候调试程序要到深夜，室友也能包容理解我，并且时刻关心我的设计进度，我遇到瓶颈的时候为我出谋划策，心烦的时候安慰我。
四年大学情谊体现的淋漓尽致。
全篇论文结束，我的大学生活也到此结束，我需要感谢我的父母。
整个学生生涯一步一步的走过来，父母一直对我给予最大的支持和期望。
如今我可以自己独立完成产品的设计，我需要感谢我的父母，他们一直含辛茹苦，在背后默默支持着我。
以前无论遇到什么困难，父母永远是最相信我的人，现在依然也是。
整个设计的完成我觉得父母也是在期待着，所以我有十足的动力想要完成并且完美这个论，给一份让我自己也给我父母满意的毕业设计。
升级会员 