室內(nèi)可見光定位裝置

1、2017 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告可見光室內(nèi)定位裝置 （I 題 ）菏澤學(xué)院蔣震機(jī)電工程學(xué)院編號(hào)：隊(duì)員：二0一年八月十日摘要本系統(tǒng)由STC89C52R最小系統(tǒng)板為核心，光敏傳感器根據(jù)光照 強(qiáng)度分別檢測(cè)XY軸坐標(biāo)，PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器檢測(cè)的光照轉(zhuǎn) 化為數(shù)字量，通過電路傳遞到 LCD1602液晶顯示屏，在LCD1602夜 晶顯示屏顯示XY軸及五個(gè)區(qū)域。按鍵按下將當(dāng)前的數(shù)字量記錄下來 并設(shè)為基準(zhǔn)值，根據(jù)新檢測(cè)的數(shù)字量相對(duì)基準(zhǔn)值判斷丫軸坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)校正原點(diǎn)。頂部平面采用三個(gè)開關(guān)，一個(gè)47 Q的電阻和一個(gè)二極管組成控制電路，控制三個(gè)大功率發(fā)光二極管。由此完成定位。關(guān)鍵詞：STC89C

2、52Rd小系統(tǒng)板 光敏傳感器 PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器 LCD1602液晶顯示屏Abstract:This system by STC89C52RCminimumsystem board as the core, the photosensitive sensor based on light intensity detection XY coordinates, respectively PCF8591A a/D converter sensor detection of light can be converted to digital quantity, through the cir

3、cuit to the LCD1602LCDscreen, the LCD1602LCD display shows the XY axis and five areas.Press the button to record the current digital quantity and set it as the base value, and determine the Y-axis coordinate according to the new test digital relative reference value, so as to realize the correct ori

4、gi n.At the top of the pla ne using three switch, a 47 Qresistance and a diode control circuit, control three power leds.This completes the positioning .目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)2 設(shè)計(jì)要求2.1 基本要求2.2 發(fā)揮部分3 系統(tǒng)方案3.1 電源的論證與選擇 3.2 光敏傳感器模塊的論證與選擇 3.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇 3.4 顯示模塊的論證與選擇 4 方案描述4.1光源及探測(cè)器特性4.2驅(qū)動(dòng)電路4.3數(shù)據(jù)編碼4.4數(shù)據(jù)解碼4

5、.5識(shí)別映射5 設(shè)計(jì)分析與計(jì)算5.1 檢測(cè)XY軸坐標(biāo)5.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊5.3 鍵盤輸入5.4 電源模塊5.5 電路原理框圖5.6 結(jié)構(gòu)尺寸圖6 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果6.1 測(cè)試方案6.1.1 硬件測(cè)試6.1.2 軟件仿真測(cè)試6.1.3 硬件軟件聯(lián)調(diào) 6.2 零件原理圖匯總6.3 測(cè)試條件與儀器7 軟件設(shè)計(jì)7.1 主程序流程圖8 程序清單（見附件一）9測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果9.1 測(cè)試方案9.1.1 硬件測(cè)試 9.1.2 軟件仿真測(cè)試9.1.3 硬件軟件聯(lián)調(diào) 9.2 測(cè)試條件與儀器9.3 測(cè)試結(jié)果及分析 10結(jié)論和總結(jié)10.1 對(duì)設(shè)計(jì)的小結(jié)10.2 設(shè)計(jì)收獲體會(huì)10.3 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善的建議 1

6、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作可見光室內(nèi)定位裝置，其構(gòu)成示意圖如圖 1所示。參賽 者自行搭建不小于80cmX 80c論80cm的立方空間（包含頂部、底部 和3個(gè)側(cè)面）。頂部平面放置3個(gè)白光LED，其位置和角度自行設(shè) 置，由LED控制 電路進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)；底部平面繪制縱橫坐標(biāo)線（間隔5cm）,并分為A、B、C D E五個(gè)區(qū)域，如圖2所示。要 求在3個(gè)LED正常照明（無明顯閃爍）的情況下，測(cè)量電路根據(jù)傳感器檢測(cè)的信號(hào)判定傳感器的位置。圖5見光議內(nèi)定位裝示畫圈S2犧平IS樂標(biāo)區(qū)域圈2設(shè)計(jì)要求2.1基本要求（1）傳感器位于B、D區(qū)域，測(cè)量電路能正確區(qū)分其位于橫坐 標(biāo)軸的上、下區(qū)域。（2）傳感器

7、位于C、E區(qū)域，測(cè)量電路能正確區(qū)分其位于縱坐標(biāo)軸的左、右區(qū)域3）傳感器位于 A 區(qū)域，測(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對(duì)誤差不大于 10cm。（4）傳感器位于 B 、C、D、E 區(qū)域，測(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值， 絕對(duì)誤差不大于 10cm。（ 5）測(cè)量電路 LCD 顯示坐標(biāo)值，顯示分辨率為 0.1cm 。2.2 發(fā)揮部分（1）傳感器位于底部平面任意區(qū)域，測(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值， 絕對(duì)誤差不大于 3cm。（2）LED 控制電路可由鍵盤輸入阿拉伯?dāng)?shù)字，在正常照明和定 位（誤差滿足基本要求 （3） 或（4） ）的情況下，測(cè)量電路能接收并顯示 3 個(gè) LED 發(fā)送的數(shù)字信息。（3）LED 控制電路外接 3 路音頻信號(hào)

8、源， 在正常照明和定位的 情況下，測(cè)量電路能從 3 個(gè) LED 發(fā)送的語音信號(hào)中， 選擇任意一路 進(jìn)行播放，且接收的語音信號(hào)均無明顯失真。（4）LED 控制電路采用 +12V 單電源供電，供電功率不大于 5W。（5）其他。3 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電源模塊 傳感器檢測(cè)模塊 測(cè)量電路 顯示模塊，面分別論證這幾個(gè)模塊的抉擇3.1 電源的論證與選擇方案一：直接使用電池組供電，該電源隨著使用電壓不穩(wěn)。方案二：采用開關(guān)電源效率高，但是需要購買，且比較貴。 方案三： 自行設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源模塊給系統(tǒng)各部分供電， 由于各穩(wěn)壓 芯片不貴，而且電壓可調(diào)，做好濾波設(shè)計(jì)，使用效果也不錯(cuò)。綜合以上三種方案，選擇方案三。3.2

9、 光敏傳感器模塊的論證與選擇光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器， 它 的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近， 包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。 光傳 感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)， 它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器， 對(duì)許多 非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化 即可3.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇AT89C52這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間短。寫入 單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。再者 AT89C52目前的售價(jià)比8031 還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。所以選用 AT89C52為主控芯片。圖23 AT89C52單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3.4 顯示模塊的論證與選擇LED數(shù)碼管顯示實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)

10、單，顯示直觀，編程簡(jiǎn)單，但顯示內(nèi)容單一， 若要同時(shí)顯示坐標(biāo)軸， 區(qū)域位置等諸多信息則需要大量的數(shù)碼管，而且不能顯示中文，由此增加了電路的復(fù)雜程度，也加大了編 程的難度LCD可以設(shè)置顯示坐標(biāo)軸等信息，它具有低功耗，可視面大，畫 面友好及抗干擾能力強(qiáng)等功能，其顯示技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。綜上所述，選用LCD1602液晶顯示屏更優(yōu)。4方案描述按照設(shè)計(jì)的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機(jī)交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由電阻應(yīng)變片傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)該數(shù)字量的處理,驅(qū)動(dòng)顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。光敏傳感器信

11、號(hào)放大器鍵盤單控片制機(jī)JS可見光室內(nèi)定位裝置模塊設(shè)計(jì)圖LCD顯示4.1光源及探測(cè)器特性實(shí)驗(yàn)選用3W的大功率白光LED作為信號(hào)源，為在盡可能不影 響光源正常工作的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信 ，實(shí)驗(yàn)選用略低于 額定工作電流的500mA作為直流偏置點(diǎn)。圖2所示為白光LED光 源及光電探測(cè)器特性。由圖2 ( a )可知,在最大工作電流范圍內(nèi) 丄ED 光源功率與電流呈線性關(guān)系，光源具有良好的調(diào)制特性。圖2 ( b ) 為使用積分球測(cè)得的白光LED發(fā)光光譜,可見白光LED光源發(fā)出的光譜主要包括峰值在 442nm 處由 LED 自身發(fā)出的藍(lán)光和峰值在 561nm 處由熒光粉受激發(fā)產(chǎn)生的黃光。 而實(shí)驗(yàn)選用的

12、光電探測(cè)器的光 譜最大響應(yīng)靈敏度在 516nm 處,如圖 2 （ c ） 所示,位于藍(lán)光和黃光 的峰值波長(zhǎng)之間 , 且光譜響應(yīng)范圍涵蓋整個(gè)可見光波段。4.2 驅(qū)動(dòng)電路LED 驅(qū)動(dòng)電路除了提供足夠?qū)挿秶拈_關(guān)電流以保證白光LED的正常工作外 , 還須提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn) , 使光源能輸出足夠的功 率并具有良好的線性度 , 確保信號(hào)經(jīng)調(diào)制后能線性輸出。設(shè)計(jì)的白光 LED光源驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過STM89C5處理器編碼產(chǎn)生的傳輸信息作為驅(qū) 動(dòng)電路的輸入 ,將輸入信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)給予一定的偏置 ,確保 LED 光源正常工作 ,該電路可根據(jù)所用光源的特性通過調(diào)節(jié)可變電阻值實(shí) 現(xiàn)對(duì)輸出量的改變 ,依據(jù)實(shí)際應(yīng)用中

13、的光源參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。4.3 數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷桨?: 起始碼頭、地址碼、地址反碼、指令碼、指令反碼和結(jié)束碼。碼頭由一個(gè)連續(xù)的235 s的高低電平組成，結(jié)束 碼由一個(gè)150 s低電平組成。地址碼、地址反碼、指令碼和指令反 碼均為 8 位數(shù)據(jù)格式 , 按照低位在前高位在后的順序發(fā)送 , 增加地址 反碼和指令反碼是為了提高信息傳輸過程中的準(zhǔn)確性和可靠性。 光源 在循環(huán)發(fā)送位置信息的過程中 , 在空閑時(shí)隙系統(tǒng)向 LED 光源發(fā)送的 均為高電平 , 以保證 LED 光源能正常提供照明服務(wù)。 我們將一個(gè)邏輯 1的傳輸設(shè)定為112 s（28 s高電平和84 s低電平）,一個(gè)邏輯0 的傳輸設(shè)定為56

14、 s（28 s高電平和28 s低電平）,具體數(shù)據(jù)編碼格 式如圖 3.3 所示。圖3.3 反映位置信息的數(shù)據(jù)格式“ 0-256-34-221 ”, 其中“ 0 ”字段即LED光源對(duì)應(yīng)區(qū)域的地址坐標(biāo)，“ 34 ”字段表示 對(duì)當(dāng)前坐標(biāo)在室內(nèi)環(huán)境中的一種具體提示指令。 根據(jù)標(biāo)簽定位技術(shù)的 特點(diǎn), 為避免在定位區(qū)域中出現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)源發(fā)來的 位置信息而出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象 ,系統(tǒng)在發(fā)射端會(huì)對(duì)多個(gè) LED 光源進(jìn)行 分時(shí)發(fā)送信號(hào)。 當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率大于 60Hz 時(shí), 白光 LED 燈不會(huì)出 現(xiàn)明顯的閃爍現(xiàn)象 ,人眼也無法分辨 11-12 ,但如果出現(xiàn)連續(xù)的邏 輯 1 或連續(xù)的邏輯 0 時(shí), 將會(huì)導(dǎo)

15、致 LED 光源發(fā)光亮度發(fā)生變化 , 影 響照明效果。因此在系統(tǒng)中采用上述編碼方式可保證序列中每一比特 由兩個(gè)變化脈沖組成 , 可以有效減少 LED 光源在發(fā)送定位信息時(shí)對(duì) 照明產(chǎn)生的影響。圖 3.3 數(shù)據(jù)編碼示意圖4.4 數(shù)據(jù)解碼在接收端 , 光電探測(cè)器將接收到的位置信息傳送給濾波放大電路 由于實(shí)驗(yàn)中選用的是反向放大電路 , 因此經(jīng)過濾波放大處理后的信號(hào) 與原始信號(hào)的相位相反 ,并且信號(hào)被整形為 TTL （ 晶體管 - 晶體管 邏輯）電平的串行信息，利用STC89C52R處理器的輸入捕獲功能對(duì)信 號(hào)進(jìn)行解碼。由于數(shù)據(jù)在編碼時(shí)將邏輯1設(shè)定為連續(xù)的28 s高 電平和84s低電平,邏輯0設(shè)定為28

16、 s咼電平和28 s低電平,反 向放大電路會(huì)使收發(fā)信號(hào)相位相反 , 因此接收端成功接收到的邏輯 1 應(yīng)當(dāng)為連續(xù)的28 s低電平和84 s高電平，邏輯0應(yīng)當(dāng)為28 s低 電平和28 s高電平。同時(shí)邏輯電平中的低電平持續(xù)時(shí)間均為28 s, 所以在數(shù)據(jù)解碼時(shí)只需捕獲高電平的持續(xù)時(shí)間即能判定出邏輯電平, 進(jìn)一步處理后即可解析出原始的位置信息 , 大大降低了解碼的復(fù) 雜度。具體解碼過程為如下：將STC89C52R處理器的輸入捕獲模式設(shè) 置為上升沿捕獲 ,當(dāng)捕獲到上升沿后 , 立即將輸入捕獲模式設(shè)置為下 降沿捕獲 （即捕獲高電平 ）, 隨后清零定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值 , 并標(biāo)記捕獲 到上升沿。當(dāng)下降沿到來時(shí) ,

17、 立即更改輸入捕獲模式為上升沿捕獲以 便捕獲下一次高電平 , 然后處理此次捕獲到的高電平。每次從捕獲起 始碼頭開始 , 以此類推直到捕獲到結(jié)束碼則表示一組數(shù)據(jù)接收成功。 如果在捕獲過程中地址碼與地址反碼或者指令碼與指令反碼有差異 , 則放棄本次捕獲 , 從新開始下一次捕獲。4.5 識(shí)別映射系統(tǒng)對(duì)所有用于定位的 LED 光源進(jìn)行標(biāo)號(hào) , 不同的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)室 內(nèi)環(huán)境中不同區(qū)域。每個(gè) LED 光源都循環(huán)發(fā)送唯一的位置信息。當(dāng) 移動(dòng)終端移動(dòng)到指定區(qū)域時(shí) ,通過探測(cè)器將采集到的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，經(jīng)濾波放大后通過STC89C52R處理器對(duì)信息進(jìn)行解碼。當(dāng) 系統(tǒng)解碼出發(fā)射端所發(fā)送的位置信息后 , 通過

18、 UART 模塊將信息傳送 至 PC 終端, 而室內(nèi)環(huán)境中 LED 光源的實(shí)際位置信息預(yù)先存在數(shù)據(jù) 庫中, 當(dāng) PC 終端收到解碼后的位置信息時(shí)會(huì)通過查詢數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行 比較和識(shí)別 , 只有比對(duì)一致的位置信息才會(huì)進(jìn)一步被映射到地圖上 , 否則系統(tǒng)將放棄本次位置識(shí)別。PC終端利用C高級(jí)語言編寫并設(shè)計(jì) 了室內(nèi)可見光定位助手軟件 , 不僅可以根據(jù)環(huán)境需要靈活地更換地圖 信息, 還可以根據(jù)移動(dòng)終端的位置變化來實(shí)時(shí)更新當(dāng)前的位置信息。5 設(shè)計(jì)分析與計(jì)算5.1 檢測(cè) XY 軸坐標(biāo)本系統(tǒng)由STC89C52R最小系統(tǒng)板為核心，光敏傳感器根據(jù)光照 強(qiáng)度分別檢測(cè)XY軸坐標(biāo)。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電

19、信號(hào)的傳感器，用來檢測(cè) XY軸距離。5.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊考慮到其他部分所帶來的干擾，所以我們選擇 24位的A/D轉(zhuǎn)換 器。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì) AD轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上24位的 A/D足以滿足要求。另外A/D轉(zhuǎn)化器具有：抗干擾能力強(qiáng)和精確差分 輸入，低廉的價(jià)格等優(yōu)勢(shì) . 綜合分析，我們最終選擇了精度為準(zhǔn)確的 HX711。5.3 鍵盤輸入通過按鍵控制原點(diǎn)校正， 按校正按鍵將當(dāng)前的數(shù)字量記錄下來并設(shè)為基準(zhǔn)值，根據(jù)新檢測(cè)的數(shù)字量相對(duì)基準(zhǔn)值判斷XY軸坐標(biāo)。5.4 電源模塊此次設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、 整流電路、 濾波電路和穩(wěn)壓電 路四個(gè)部分組成，如圖5.5 電路原理框圖5.6 結(jié)構(gòu)尺寸圖6

20、 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 ?6.1 測(cè)試方案 ?6.1.1 硬件測(cè)試 ? 穩(wěn)壓電源的波形測(cè)試，比較穩(wěn)定，符合要求，稱重傳感系統(tǒng)輸出信號(hào) 基本沒有受影響，顯示屏顯示正常，只要不在電位計(jì)盲區(qū)。 ?6.1.2 軟件仿真測(cè)試 ?通過 keil5 軟件在線調(diào)試，程序編譯正確，執(zhí)行正常。延時(shí)等子程序 符合要求。 ?6.1.3 硬件軟件聯(lián)調(diào) ?通過串口將程序下載至單片機(jī)中， 打開單片機(jī)電源開關(guān)， 系統(tǒng)能夠較 順利完成基本和發(fā)揮部分。6.2 零件原理圖匯總6.3 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件： 檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相 同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字 毫伏表，模擬

21、示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表。7 軟件設(shè)計(jì)可見光室內(nèi)裝置設(shè)計(jì)均采用模塊化設(shè)計(jì)， 整個(gè)程序包括主程序、 數(shù)據(jù) 處理子程序 （ 雙字節(jié)乘法、二一十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序及逆轉(zhuǎn)換程序 ）、LCD 液晶靜態(tài)顯示子程序等模塊。所有程序均采用C匯編語言編寫。可見 光室內(nèi)裝置的軟件設(shè)計(jì)思路說明如下：主程序的作用為程序初始化，計(jì)算單價(jià)單重（單價(jià)和單重分別在定時(shí)中斷程序和INTO外部中斷程 序中獲得），并時(shí)時(shí)顯示X、丫軸的坐標(biāo)。7.1主程序流程圖主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過程，描述了信號(hào)的基本流向, 起到一個(gè)向?qū)У淖饔?。主程序流程圖傳感 器檢 測(cè)初始 化LCD（見附件一）8程序清單AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)X、Y軸的 坐標(biāo) 顯

22、示9測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果9.1測(cè)試方案9.1.1硬件測(cè)試穩(wěn)壓電源的波形測(cè)試，比較穩(wěn)定，符合要求，光敏傳感系統(tǒng)輸出信號(hào) 基本沒有受影響，顯示屏顯示正常，不在電位計(jì)盲區(qū)下滿足。9.1.2軟件仿真測(cè)試通過keil4軟件在線調(diào)試，程序編譯正確，執(zhí)行正常。延時(shí)等子程序 符合要求。9.1.3硬件軟件聯(lián)調(diào)通過串口將程序下載至單片機(jī)中， 打開單片機(jī)電源開關(guān)，系統(tǒng)能夠較 順利完成基本和發(fā)揮部分。9.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相 同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：數(shù)字萬用表。9.3測(cè)試結(jié)果及分析坐標(biāo)（0,0）（20,20）（-20,20）（-20，-20

23、）（20,-20）AD數(shù)字量96118112103105經(jīng)過測(cè)試，坐標(biāo)值與AD數(shù)字量成線性關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)精度較高，基 本滿足題目指標(biāo)要求。10結(jié)論和總結(jié)10.1對(duì)設(shè)計(jì)的小結(jié)此可見光室內(nèi)定位裝置，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、大方，底座等材料還屬于廢 品重新利用，符合可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保道路，而且其構(gòu)造穩(wěn)固，有利于 系統(tǒng)性能的發(fā)揮。檢測(cè)出來的數(shù)據(jù)顯示，其總體性能比較好，機(jī)械性 能不錯(cuò)，如果經(jīng)濟(jì)允許，換上更加優(yōu)質(zhì)的元器件，其性能會(huì)更加完美。10.2設(shè)計(jì)收獲體會(huì)通過這次比賽，我們收獲匪淺。學(xué)到了很多全新的知識(shí)，比如A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，更加深了對(duì)AT89C52系統(tǒng)板的使用和性能；在制作的過程中 一步一步走向目的地；最重要的是這四天三夜的奮戰(zhàn)