室內(nèi)可見光定位裝置

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2017全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告可見光室內(nèi)定位裝置(I題)菏澤學(xué)院蔣震機電工程學(xué)院編號：隊員：二一七年八月十日摘要本系統(tǒng)由 STC89C52RC最小系統(tǒng)板為核心，光敏傳感器根據(jù)光照強度分別檢測XY軸坐標(biāo)，PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器檢測的光照轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過電路傳遞到 LCD1602液晶顯示屏，在LCD1602液晶顯示屏顯示XY軸及五個區(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)新檢測的數(shù)字量相對基準(zhǔn)值判斷Y軸坐標(biāo)，從而實現(xiàn)校正原點。頂部平面采用

2、三個開關(guān)，一個47的電阻和一個二極管組成控制電路，控制三個大功率發(fā)光二極管。由此完成定位。關(guān)鍵詞： STC89C52RC最小系統(tǒng)板 光敏傳感器 PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器 LCD1602液晶顯示屏Abstract:This system by STC89C52RC minimum system board as the core, the photosensitive sensor based on light intensity detection XY coordinates, respectively PCF8591A a/D converter sensor detection of

3、light can be converted to digital quantity, through the circuit to the LCD1602 LCD screen, the LCD1602 LCD 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 digi

4、tal relative reference value, so as to realize the correct origin.At the top of the plane using three switch, a 47 resistance and a diode control circuit, control three power leds.This completes the positioning.目錄 TOC o 3-3 h z u t 標(biāo)題 1,1,標(biāo)題 2,2 設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作可見光室內(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 80c

5、m80cm80cm 的立方空間（包含頂部、底部和 3 個側(cè)面）。頂部平面放置 3 個白光 LED，其位置和角度自行設(shè)置，由 LED 控制 電路進行控制和驅(qū)動；底部平面繪制縱橫坐標(biāo)線（間隔 5cm），并分為 A、B、C、D、E 五個區(qū)域，如圖 2 所示。要求在 3 個 LED 正常照明（無明顯閃爍）的情況下， 測量電路根據(jù)傳感器檢測的信號判定傳感器的位置。設(shè)計要求基本要求（1）傳感器位于 B、D 區(qū)域，測量電路能正確區(qū)分其位于橫坐標(biāo)軸的上、下區(qū)域。（2）傳感器位于 C、E 區(qū)域，測量電路能正確區(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，測量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對誤差不大于 10c

6、m。（4）傳感器位于 B、C、D、E 區(qū)域，測量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對誤差不大于 10cm。（5）測量電路 LCD 顯示坐標(biāo)值，顯示分辨率為 0.1cm。發(fā)揮部分（1）傳感器位于底部平面任意區(qū)域，測量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對誤差不大于 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，測量電路能接收并顯示 3 個 LED 發(fā)送的數(shù)字信息。（3）LED 控制電路外接 3 路音頻信號源，在正常照明和定位的情況下，測量電路能從 3 個 LED 發(fā)送的語音信號中，選擇任意一路進行播放，且接收的語音信號均無明顯失真。（4）LED 控制電路采用

7、+12V 單電源供電，供電功率不大于 5W。（5）其他。系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電源模塊 傳感器檢測模塊 測量電路 顯示模塊，下面分別論證這幾個模塊的抉擇。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，使用效果也不錯。綜合以上三種方案，選擇方案三。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轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測

8、元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可?？刂葡到y(tǒng)的論證與選擇 AT89C52這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密。再者AT89C52目前的售價比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。所以選用AT89C52為主控芯片。圖23 AT89C52單片機的基本結(jié)構(gòu)顯示模塊的論證與選擇 LED數(shù)碼管顯示實現(xiàn)原理簡單，顯示直觀，編程簡單，但顯示內(nèi)容單一，若要同時顯示坐標(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

9、面友好及抗干擾能力強等功能，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)。方案描述鍵盤控制單片機按照設(shè)計的基本要求，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、信號的前級處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅(qū)動顯示模塊完成人機間的信息交換。鍵盤控制單片機光敏傳感器信號轉(zhuǎn)換信號放大器光敏傳感器信號轉(zhuǎn)換信號放大器LCD顯示 LCD顯示可見光室內(nèi)定位裝置模塊設(shè)計圖光源及探測器特性實驗選用 3W 的大功率白光 LED 作為信號源,為在盡可能不影響光源正常工作的前提下

10、實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信,實驗選用略低于額定工作電流的 500mA 作為直流偏置點。圖 2 所示為白光 LED 光源及光電探測器特性。由圖 2 ( a )可知,在最大工作電流范圍內(nèi),LED 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。而實驗選用的光電探測器的光譜最大響應(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之間,且光譜響應(yīng)范圍涵蓋整個可見光波段。 驅(qū)動電路LED

11、 驅(qū)動電路除了提供足夠?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,使光源能輸出足夠的功率并具有良好的線性度,確保信號經(jīng)調(diào)制后能線性輸出。設(shè)計的白光LED光源驅(qū)動電路經(jīng)過STM89C52處理器編碼產(chǎn)生的傳輸信息作為驅(qū)動電路的輸入,將輸入信號進行放大的同時給予一定的偏置,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)可變電阻值實現(xiàn)對輸出量的改變,依據(jù)實際應(yīng)用中的光源參數(shù)進行靈活調(diào)節(jié)。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。碼頭由一個連續(xù)的235s的高低電平組成,結(jié)束碼由一個150s低電平組成。地址碼、地址反碼、

12、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)。我們將一個邏輯1的傳輸設(shè)定為112s(28s高電平和84s低電平),一個邏輯 0 的傳輸設(shè)定為56s(28s高電平和28s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光源對應(yīng)區(qū)域的地址坐標(biāo),“ 34 ”字段表示對當(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

13、位技術(shù)的特點,為避免在定位區(qū)域中出現(xiàn)待測目標(biāo)同時接收多個信號源發(fā)來的位置信息而出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象,系統(tǒng)在發(fā)射端會對多個 LED 光源進行分時發(fā)送信號。當(dāng)傳輸信號的頻率大于 60Hz 時,白光 LED 燈不會出現(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,將會導(dǎo)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變化脈沖組成,可以有效減少 LED 光源在發(fā)送定位信息時對照明產(chǎn)生的影響。圖3.3 數(shù)據(jù)編碼示意圖數(shù)據(jù)解碼在接收端,光電探測器將接收到的位置信息傳送給濾波放大電路,由于實驗中選用的是反向放大電

14、路,因此經(jīng)過濾波放大處理后的信號與原始信號的相位相反,并且信號被整形為 TTL (晶體管 - 晶體管邏輯)電平的串行信息,利用STC89C52RC處理器的輸入捕獲功能對信號進行解碼。由于數(shù)據(jù)在編碼時將邏輯 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 28s高電平和28s低電平,反向放大電路會使收發(fā)信號相位相反,因此接收端成功接收到的邏輯 1 應(yīng)當(dāng)為連續(xù)的28s低電平和 84s高電平,邏輯0應(yīng)當(dāng)為28s低電平和28s高電平。同時邏輯電平中的低電平持續(xù)時間均為 28s,所以在數(shù)據(jù)解碼時只需捕獲高電平的持續(xù)時間即能判定出邏輯電平,進一步處理后即可解析出原始的位置信息,大大降低了

15、解碼的復(fù)雜度。具體解碼過程為如下:將STC89C52RC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),隨后清零定時器的計數(shù)器值,并標(biāo)記捕獲到上升沿。當(dāng)下降沿到來時,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。識別映射系統(tǒng)對所有用于定位的 LED 光源進行標(biāo)號,不同的標(biāo)號對應(yīng)室內(nèi)環(huán)境中不同區(qū)域。每個 LED 光源都循環(huán)發(fā)送唯一的位置

16、信息。當(dāng)移動終端移動到指定區(qū)域時,通過探測器將采集到的可見光信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)濾波放大后通過STC89C52RC處理器對信息進行解碼。當(dāng)系統(tǒng)解碼出發(fā)射端所發(fā)送的位置信息后,通過 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會通過查詢數(shù)據(jù)庫來進行比較和識別,只有比對一致的位置信息才會進一步被映射到地圖上,否則系統(tǒng)將放棄本次位置識別。PC終端利用C高級語言編寫并設(shè)計了室內(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)移動終端的位置變化來實時更新當(dāng)前的位置信息。設(shè)計分析與計算檢測XY軸

17、坐標(biāo)本系統(tǒng)由 STC89C52RC最小系統(tǒng)板為核心，光敏傳感器根據(jù)光照強度分別檢測XY軸坐標(biāo)。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，用來檢測XY軸距離。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：抗干擾能力強和精確差分輸入，低廉的價格等優(yōu)勢.綜合分析，我們最終選擇了精度為準(zhǔn)確的HX711。 鍵盤輸入 通過按鍵控制原點校正，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)新檢測的數(shù)字量相對基準(zhǔn)值判斷XY軸坐標(biāo)。電源模塊 此次設(shè)計的穩(wěn)壓電源由電源變壓

18、器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖電路原理框圖結(jié)構(gòu)尺寸圖測試方案與測試結(jié)果測試方案硬件測試穩(wěn)壓電源的波形測試，比較穩(wěn)定，符合要求，稱重傳感系統(tǒng)輸出信號基本沒有受影響，顯示屏顯示正常，只要不在電位計盲區(qū)。軟件仿真測試通過keil5軟件在線調(diào)試，程序編譯正確，執(zhí)行正常。延時等子程序符合要求。硬件軟件聯(lián)調(diào)通過串口將程序下載至單片機中，打開單片機電源開關(guān)，系統(tǒng)能夠較順利完成基本和發(fā)揮部分。零件原理圖匯總測試條件與儀器 測試條件：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。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表。軟件設(shè)

19、計可見光室內(nèi)裝置設(shè)計均采用模塊化設(shè)計，整個程序包括主程序、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?？梢姽馐覂?nèi)裝置的軟件設(shè)計思路說明如下：主程序的作用為程序初始化，計算單價單重(單價和單重分別在定時中斷程序和INT0外部中斷程序中獲得)，并時時顯示X、Y軸的坐標(biāo)。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，描述了信號的基本流向，起到一個向?qū)У淖饔?。主程序流程圖AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)X、Y軸的坐標(biāo)顯示等初始化LCD傳感器檢測開始 AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)X、Y軸的坐標(biāo)顯示等初始化LCD傳感器檢測開始程序清單（見附件一）測試方案與測

20、試結(jié)果測試方案硬件測試穩(wěn)壓電源的波形測試，比較穩(wěn)定，符合要求，光敏傳感系統(tǒng)輸出信號基本沒有受影響，顯示屏顯示正常，不在電位計盲區(qū)下滿足。 軟件仿真測試通過keil4軟件在線調(diào)試，程序編譯正確，執(zhí)行正常。延時等子程序符合要求。硬件軟件聯(lián)調(diào)通過串口將程序下載至單片機中，打開單片機電源開關(guān)，系統(tǒng)能夠較順利完成基本和發(fā)揮部分。測試條件與儀器測試條件：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。 測試儀器：數(shù)字萬用表。測試結(jié)果及分析坐標(biāo)（0,0）（20,20）（-20,20）（-20，-20）（20，-20）AD數(shù)字量96118112103105經(jīng)過測試，坐標(biāo)

21、值與AD數(shù)字量成線性關(guān)系，整個系統(tǒng)精度較高，基本滿足題目指標(biāo)要求。結(jié)論和總結(jié)對設(shè)計的小結(jié)此可見光室內(nèi)定位裝置，總體結(jié)構(gòu)簡潔、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。檢測出來的數(shù)據(jù)顯示，其總體性能比較好，機械性能不錯，如果經(jīng)濟允許，換上更加優(yōu)質(zhì)的元器件，其性能會更加完美。設(shè)計收獲體會通過這次比賽，我們收獲匪淺。學(xué)到了很多全新的知識，比如A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，更加深了對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)增強了我們的合作精神，促進了我們的友誼！對設(shè)計進一步完善的建議1、部分材料可能可以選取更輕便的材料；2、經(jīng)濟允許