CN104630060A - 自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱 - Google Patents

自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱 Download PDF

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Abstract

自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱，其内部的顶部与底部分别设置有一套XYZ轴位移装置、一个摄像头以及一个辅助拍摄的照明LED灯，每一个摄像头借助XYZ轴位移装置作三维方向移动，当到了极端的位置时，自动停止前进；两个摄像头各自在水平面上移动并定位目标，在竖直方向自动调节拍摄物距，计算机分析图象认为拍摄光照不足时，与正在进行拍摄的摄像头对应的一个照明LED灯会自动地、短暂地发光。包括一台人工气候箱、两套XYZ轴位移装置、两个摄像头、一台计算机、两个交流固态继电器、两个照明LED灯、两块MAX232、两块74HC164、两块74HC273、两块74HC165、两块74HC30以及74HC32。

Description

自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱
所属技术领域
本发明涉及生物实验领域的生物培养设备，具体涉及一种自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱。
背景技术
利用摄像头视频观察培养物不需要打开光照培养箱。《视频记录可调光波光照培养箱》(ZL 2013205546840，授权公告日：2014-02-05)作了初步尝试。但是，该方案没有解决成像聚焦清晰的问题，成像很不全面，拍摄目标需要人工安排，对于培养箱内出现的昏暗的模拟气候状况其视频记录缺少必要的应对措施。因此，它虽然使用计算机操作摄像头拍摄，但距离自动化甚远。
发明内容
本发明提供一种自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱，该人工气候箱内部的顶部与底部分别设置有一套XYZ轴位移装置、一个摄像头以及一个辅助拍摄的照明LED灯，每一个摄像头借助XYZ轴位移装置作三维方向移动，当到了极端的位置时，自动停止前进；两个摄像头各自在水平面上移动并定位目标，在竖直方向自动调节拍摄物距，计算机分析图象认为拍摄光照不足时，与正在进行拍摄的摄像头对应的一个照明LED灯会自动地、短暂地发光。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括一台人工气候箱、两套XYZ轴位移装置、两个摄像头、一台计算机、两个交流固态继电器、两个照明LED灯、两块MAX232、两块74HC164、两块74HC273、两块74HC165、两块74HC30、一块74HC32以及+5V电源；其中，两套XYZ轴位移装置分别通过其中的第一套直线轴位移装置的金属底板上的销钉孔安装到人工气候箱内部的顶部与底部，每一套XYZ轴位移装置中的第三套直线轴位移装置的滑台上安置有一个摄像头，两个摄像头分别通过USB电缆连接到计算机的一个USB接口，计算机的RS232C接口的两根输出联络线、两根输入联络线以及串行数据输出端经过两块电平转换电路MAX232以后分别变换成TTL电平信号RTS与DTR、CTS与CD以及TXD，它们各自连接有一个下拉电阻，RTS还分别连接到两块74HC164以及两块74HC165的时钟端，DTR分别连接到第一块74HC164的一个串行数据输入端以及两块74HC165的两个SHIFT/LOAD端，TXD连接到两块74HC273的时钟端，第一块74HC164的另一个串行数据输入端、两块74HC164的清零端、两块74HC273的清零端都连接到+5V电源的正极，两块74HC165的片选端INH以及第一块74HC165的串行数据输入端SER都连接到+5V电源的负极，两块74HC164的十六个输出端与两块74HC273的十六个输入端D一一连接，第一块74HC164的最高位输出端QH还连接到第二块74HC164的两个串行数据输入端，两块74HC273的十六个输出端各自连接有一个下拉电阻，第一块74HC273的低六位输出端两个一组分别连接到第一套XYZ轴位移装置的三个步进电机驱动电路的正转控制线与反转控制线，第二块74HC273的低六位输出端两个一组分别连接到第二套XYZ轴位移装置的三个步进电机驱动电路的正转控制线与反转控制线，每一块74HC273的第七位输出端7Q与+5V电源的负极一起分别连接到一个交流固态继电器的两个输入控制端，每一个交流固态继电器的输出受控端与一个照明LED灯以及市电组成串联回路，第一块74HC165的串行数据输出端连接到第二块74HC165的串行数据输入端SER，第二块74HC165的串行数据输出端连接到CTS，两块74HC165的十六个并行数据输入端各自连接有一个上拉电阻，第一块74HC165的低六位并行数据输入端分别连接到第一套XYZ轴位移装置的六个微动开关的一端，还分别连接到第一块74HC30的六个输入端，第二块74HC165的低六位并行数据输入端分别连接到第二套XYZ轴位移装置的六个微动开关的一端，还分别连接到第二块74HC30的六个输入端，两块74HC30空余的输入端都连接到+5V电源的正极，它俩的输出端分别连接到74HC32的两个输入端，74HC32的输出端连接到CD，这十二个微动开关的另一端各自连接一个下拉电阻。
所述一套XYZ轴位移装置包括三套直线轴位移装置；其中，第二套直线轴位移装置通过其金属底板上的销钉孔以及第一套直线轴位移装置的滑台上的销钉孔安置到第一套直线轴位移装置的滑台上，第三套直线轴位移装置通过其第一块金属板上的销钉孔以及第二套直线轴位移装置的滑台上的销钉孔安置到第二套直线轴位移装置的滑台上，这三套直线轴位移装置的滚珠丝杆相互垂直。
所述一套直线轴位移装置包括两根光轴、一根滚珠丝杆、两个法兰直线轴承、三个直线轴承、三个螺母座、一个滑台、两块金属板、一块金属底板、一个步进电机、一个步进电机架、一组步进电机驱动电路以及两个微动开关；其中，两根光轴以及滚珠丝杆彼此平行，各自穿过一个直线轴承，这三个直线轴承上各自配合有一个螺母座，滑台是一个金属板，滑台上面开设有销钉孔，滑台通过螺丝同时固定在上述三个螺母座上；两块金属板各自开设有左、中、右三个圆孔，第一根光轴的两端分别安装在这两块金属板的左圆孔上，通过这两个左圆孔上的螺丝固定，第二根光轴的两端分别安装在这两块金属板的右圆孔上，通过这两个右圆孔上的螺丝固定，两块金属板上中间的圆孔各自通过螺丝安装一个法兰直线轴承，滚珠丝杆的一端安置在第一块金属板上的法兰直线轴承中，滚珠丝杆的另一端穿过第二块金属板上的法兰直线轴承，然后连接到一个联轴器的一端，该联轴器的另一端连接到一个步进电机的轴，该步进电机通过步进电机架安置到该套直线轴位移装置的金属底板上，并与一组步进电机驱动电路配合；两块金属板都安置在该套直线轴位移装置的金属底板上，两块金属板以及金属底板上分别开设有销钉孔；两个微动开关分别安置在该套直线轴位移装置的两块金属板上靠近法兰直线轴承的地方，都面朝滑台，并当该套直线轴位移装置的滚珠丝杆上直线轴承所承载的滑台移近所述法兰直线轴承时能受到该滑台的触碰。
本发明的有益效果是：1)两个摄像头分别从培养物的上方与下方自动定位目标，2)从上、下两个方向分别拍摄，3)拍摄时光照不足则有一个与进行拍摄的摄像头对应的照明LED灯自动地、短暂地发光，该照明LED灯光源属于冷光源，不影响人工气候箱内的状况，4)采用六对微动开关探测摄像头是否位移到了极端，避免了步进电机空转；总之，功能完备，为计算机自动化操作视频记录创造了物质基础。
附图说明：
下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明的主要组成方框图。
图2是计算机RS232C接口与本发明对接的电平转换电路图，其中，左边的信号名称后括号内的数字系该信号线在计算机RS232C接口中的排序。
图3是计算机RS232C接口信号RTS、DTR以及TXD控制六个步进电机正转或者反转的电路图。
图4是计算机RS232C接口的CTS线查询十二个微动开关受到触碰与否的电路图。
图5是十二个微动开关受到触碰而产生计算机RS232C接口中断请求信号CD的电路图。
图1中，1.人工气候箱，2.计算机，21.第一个计算机USB接口，22.计算机RS232C接口，23.第二个计算机USB接口，3.第一个摄像头，4.第一套XYZ轴位移装置，41.-46.第一套XYZ轴位移装置上的微动开关，47.-49.第一套XYZ轴位移装置上的一个步进电机及其一组步进电机驱动电路，51.第一个交流固态继电器，52.第一个照明LED灯，6.第二套XYZ轴位移装置，61.第二个摄像头，62.第二个交流固态继电器，63.第二个照明LED灯。
具体实施方式
图1表示本发明的整体结构关系。第一个摄像头(3)与第二个摄像头(61)分别安装在第一套XYZ轴位移装置(4)与第二套XYZ轴位移装置(6)的第三套直线轴位移装置的滑台上，两个摄像头分别通过USB电缆连接到计算机(2)的第一个USB接口(21)与第二个USB接口(23)。两套XYZ轴位移装置分别安置在人工气候箱(1)的顶部与底部。六个微动开关(41)-(46)分别安置在第一套XYZ轴位移装置(4)的三套直线轴位移装置的六块金属板上，并当所述三套直线轴位移装置的三根滚珠丝杆所承载的直线轴承上的滑台移动到接近相应的金属板上的法兰直线轴承的极端位置处时，能受到该滑台的触碰。每一组步进电机驱动电路有正转控制线与反转控制线两根。第一套XYZ轴位移装置(4)的三套直线轴位移装置的三个步进电机以及三组步进电机驱动电路(47)-(49)受到图3中第一块74HC273六个输出端的操作。第二套XYZ轴位移装置(6)与第一套XYZ轴位移装置(4)的结构相同，也包括六个微动开关以及三个步进电机以及三组步进电机驱动电路，其中的三套直线轴位移装置的三个步进电机以及三组步进电机驱动电路受到图3中第二块74HC273六个输出端的操作。
图2表示RS232C接口信号需要经过电平转换电路例如MX232的电平转换才能与TTL电平信号相匹配。
图3中，两块74HC164级联，在时钟信号RTS的作用下，把串行信号DTR串行移位成16位并行输出信号，构成驱动六个步进电机正转或者反转的控制信号。但在输出准确的步进电机驱动信号的过程中会产生一些不必要的错误信号，因此由TXD控制两块74HC273在正确的时刻进行输出并寄存。
图3中，两块74HC273的输出信号除了供给步进电机驱动电路，还各自空余两根信号线，刚好从中分别选取一根用来控制两个交流固态继电器。如图1所示，也就是选取第一块74HC273的输出端7Q(表示为7Q A)控制第一个交流固态继电器(51)，选取第二块74HC273的输出端7Q(表示为7Q B)控制第二个交流固态继电器(62)，因此得以分别控制第一个照明LED灯(52)与第二个照明LED灯(63)。
图4中，两块74HC165级联，其十六个并行数据输入端分别连接到十二个微动开关的一端，在DTR信号的作用下，装载入两块74HC165，然后在时钟信号RTS的作用下，依次移位，通过CTS串行输入计算机的RS232C接口(22)，据此检测十二个微动开关的状态。但是，RTS与DTR同时操作74HC164与74HC165，为了避免冲突，把十二个微动开关的信号通过两块74HC30以及一块74HC32组成的与非门变成一个RS232C接口的输入联络线CD信号，如图5所示，以此CD变化信号请求计算机(2)进入中断响应程序。这时，计算机(2)才来通过两块74HC165以及输入联络线CTS来及时检测十二个微动开关的状态。
步进电机驱动电路及其与步进电机的连接关系请参考单片机的有关书籍，例如《51单片机应用实例详解》(第281页，杨欣等编著，清华大学出版社，2010年5月第1版)。计算机RS232C接口的控制请参看《Visual_Basic与RS-232串行通信控制(最新版)》(范逸之、陈立元编著，清华大学出版社，2002年6月第1版)。

Claims (3)

1.自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱，其特征是：包括一台人工气候箱、两套XYZ轴位移装置、两个摄像头、一台计算机、两个交流固态继电器、两个照明LED灯、两块MAX232、两块74HC164、两块74HC273、两块74HC165、两块74HC30、一块74HC32以及+5V电源；其中，两套XYZ轴位移装置分别通过其中的第一套直线轴位移装置的金属底板上的销钉孔安装到人工气候箱内部的顶部与底部，每一套XYZ轴位移装置中的第三套直线轴位移装置的滑台上安置有一个摄像头，两个摄像头分别通过USB电缆连接到计算机的一个USB接口，计算机的RS232C接口的两根输出联络线、两根输入联络线以及串行数据输出端经过两块电平转换电路MAX232以后分别变换成TTL电平信号RTS与DTR、CTS与CD以及TXD，它们各自连接有一个下拉电阻，RTS还分别连接到两块74HC164以及两块74HC165的时钟端，DTR分别连接到第一块74HC164的一个串行数据输入端以及两块74HC165的两个SHIFT/LOAD端，TXD连接到两块74HC273的时钟端，第一块74HC164的另一个串行数据输入端、两块74HC164的清零端、两块74HC273的清零端都连接到+5V电源的正极，两块74HC165的片选端INH以及第一块74HC165的串行数据输入端SER都连接到+5V电源的负极，两块74HC164的十六个输出端与两块74HC273的十六个输入端D一一连接，第一块74HC164的最高位输出端QH还连接到第二块74HC164的两个串行数据输入端，两块74HC273的十六个输出端各自连接有一个下拉电阻，第一块74HC273的低六位输出端两个一组分别连接到第一套XYZ轴位移装置的三个步进电机驱动电路的正转控制线与反转控制线，第二块74HC273的低六位输出端两个一组分别连接到第二套XYZ轴位移装置的三个步进电机驱动电路的正转控制线与反转控制线，每一块74HC273的第七位输出端7Q与+5V电源的负极一起分别连接到一个交流固态继电器的两个输入控制端，每一个交流固态继电器的输出受控端与一个照明LED灯以及市电组成串联回路，第一块74HC165的串行数据输出端连接到第二块74HC165的串行数据输入端SER，第二块74HC165的串行数据输出端连接到CTS，两块74HC165的十六个并行数据输入端各自连接有一个上拉电阻，第一块74HC165的低六位并行数据输入端分别连接到第一套XYZ轴位移装置的六个微动开关的一端，还分别连接到第一块74HC30的六个输入端，第二块74HC165的低六位并行数据输入端分别连接到第二套XYZ轴位移装置的六个微动开关的一端，还分别连接到第二块74HC30的六个输入端，两块74HC30空余的输入端都连接到+5V电源的正极，它俩的输出端分别连接到74HC32的两个输入端，74HC32的输出端连接到CD，这十二个微动开关的另一端各自连接一个下拉电阻。
2.根据权利要求1所述的自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱，其特征是：所述一套XYZ轴位移装置包括三套直线轴位移装置；其中，第二套直线轴位移装置通过其金属底板上的销钉孔以及第一套直线轴位移装置的滑台上的销钉孔安置到第一套直线轴位移装置的滑台上，第三套直线轴位移装置通过其第一块金属板上的销钉孔以及第二套直线轴位移装置的滑台上的销钉孔安置到第二套直线轴位移装置的滑台上；这三套直线轴位移装置的滚珠丝杆相互垂直。
3.根据权利要求2所述的自动化聚焦立体拍摄培养物的人工气候箱，其特征是：所述一套直线轴位移装置包括两根光轴、一根滚珠丝杆、两个法兰直线轴承、三个直线轴承、三个螺母座、一个滑台、两块金属板、一块金属底板、一个步进电机、一个步进电机架、一组步进电机驱动电路以及两个微动开关；其中，两根光轴以及滚珠丝杆彼此平行，各自穿过一个直线轴承，这三个直线轴承上各自配合有一个螺母座，滑台是一个金属板，滑台上面开设有销钉孔，滑台通过螺丝同时固定在上述三个螺母座上；两块金属板各自开设有左、中、右三个圆孔，第一根光轴的两端分别安装在这两块金属板的左圆孔上，通过这两个左圆孔上的螺丝固定，第二根光轴的两端分别安装在这两块金属板的右圆孔上，通过这两个右圆孔上的螺丝固定，两块金属板上中间的圆孔各自通过螺丝安装一个法兰直线轴承，滚珠丝杆的一端安置在第一块金属板上的法兰直线轴承中，滚珠丝杆的另一端穿过第二块金属板上的法兰直线轴承，然后连接到一个联轴器的一端，该联轴器的另一端连接到一个步进电机的轴，该步进电机通过步进电机架安置到该套直线轴位移装置的金属底板上，并与一组步进电机驱动电路配合；两块金属板都安置在该套直线轴位移装置的金属底板上，两块金属板以及金属底板上分别开设有销钉孔；两个微动开关分别安置在该套直线轴位移装置的两块金属板上靠近法兰直线轴承的地方，都面朝滑台，并当该套直线轴位移装置的滚珠丝杆上直线轴承所承载的滑台移近所述法兰直线轴承时能受到该滑台的触碰。
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