基于CMOS图像传感器的照度检测系统设计与实现

摘要

随着物联网技术的发展，照明系统的智能化成为目前研究的热点之一，传统的光照传感器由于其固有属性无法满足智能照明精确检测和测量范围的要求，开发了一种快速准确的照度及照度分布检测系统，能够达到智能照明系统精准化照明控制的要求，是实现舒适性和节能性照明的前提。
　　本课题围绕智能照明系统中照度检测方法展开研究，通过分析传统的光照传感器存在的弊端和工程应用存在的问题，提出了将CMOS图像传感器应用于照明环境中照度测量的方法。分析了利用CMOS图像处理进行照度测量的可行性;对图像采集、图像预处理、照度的图像测量方法进行了比较深入的研究;设计了基于CMOS图像传感器的嵌入式照度检测系统，实现了实时照度分布测量等功能，并对系统进行了测试。课题主要研究的内容有以下几个方面:
　　(1)提出了利用CMOS图像传感器实现光环境照度的检测方法应用于智能照明的思想，并开发基于CMOS图像传感器的嵌入式系统。从理论上分析了照度与图像灰度、传感器增益、曝光时间、物体反射率等因素的关系，论证了CMOS图像传感器测量照度的可行性。
　　(2)提出了将图像灰度归一化处理，并采用最小二乘法及通过实验数据进行曲线拟合，建立归一化图像灰度与亮度间的函数关系，根据物体亮度和照度的关系，进行参数标定，确立了物体的反射率，实现了照度及分布的检测。
　　(3)完成了系统的总体架构设计，确定了系统开发的技术路线，明确了系统的功能，通过方案对比，确定了以具有高速浮点数据处理能力的STM32F407ZE为核心，以OV7670为CMOS图像传感器，结合图像采集与存储等电路的硬件结构。
　　(4)完成了系统软件设计，确定了硬件驱动层、操作系统层、应用层的三层软件架构，完成了底层驱动编写、μC/OS-Ⅱ实时操作的移植及应用层图像采集、照度测量、参数配置等任务的实现;通过DCMI结合DMA传输单元进行图像的快速采集，使用浮点运算单元(FPU)来提高运算速度，并完成了图像处理相关算法，使系统实时性得到了保证。
　　(5)进行了系统测试，通过开发的上位机配置工具对照度测量系统进行标定及参数配置，实现了照明环境中照度及照度分区测量，并对图像采集、照度测量、参数配置等功能进行测试，测试结果表明，该系统能够满足智能照明系统的照度检测需求，具有一定的实际应用价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究目的与意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本文章节安排

2 CMOS图像传感器测量照度研究

2．1 图像传感器

2．2 度与亮度分析

2．3 CMOS图像传感器特性分析

2．4 亮度测量理论

2．5 图像灰度归一化

2．6 亮度测量标定

2．6．1 亮度标定系统

2．6．2 亮度标定

2．6．3 曲线拟合

2．6．4 照度测量

2．7 本章小结

3 系统总体结构设计

3．1 系统功能

3．2 系统结构设计

3．3 系统方案选定

3．3．1 MCU选型

3．3．2 操作系统的选定

3．4 技术路线规划

3．5 本章小结

4 系统硬件设计

4．1 硬件总体设计

4．2 微控制器外围电路

4．2．1 STM32F407ZET6简介

4．2．2 微控制器外围电路

4．3 图像采集电路

4．3．1 OV7670简介

4．3．2 图像采集电路

4．4 SD卡存储电路

4．5 SRAM驱动电路

4．6 电源电路

4．7 WIFI通信电路

4．8 USB通信电路

4．9 本章小结

5 系统软件设计

5．1 软件设计框架

5．2 底层驱动设计

5．2．1 OV7670驱动

5．2．2 SD卡驱动

5．2．3 外部SRAM驱动

5．2．4 ESP8266配置

5．2．5 USB软件驱动

5．2．6 浮点运算单元

5．3 uC／OS-Ⅱ移植

5．3．1 uC／OS-Ⅱ简介

5．3．2 uC／OS-Ⅱ任务及其调度

5．3．3 Cortex-M4内核架构

5．3．4 uC／OS-Ⅱ的移植

5．4 应用程序设计

5．4．1 应用程序结构

5．4．2 图像采集任务

5．4．3 图像预处理任务

5．4．4 照度测量任务

5．5 本章小结

6 系统测试

6．1 标定及参数配置

6．2 照度测量

6．3 本章小结

7 总结及展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

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