基于紅外線的目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)報(bào)告

基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)所在院系：電控學(xué)院作者：衛(wèi)萊程慶宇胡阿敏2013-8-10基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)基于紅外線的目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)本系統(tǒng)以MSP430F149為控制核心，設(shè)計(jì)制作紅外線自動(dòng)跟蹤和無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，紅外線目標(biāo)跟蹤部分和無(wú)線測(cè)溫與傳輸部分。紅外線檢測(cè)控制是本系統(tǒng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分，它主要由單片機(jī)，步電動(dòng)機(jī)，以及紅外接收管等元件組成，單片機(jī)作為控制中心；200W白熾燈模擬熱源，無(wú)線測(cè)溫部分能實(shí)時(shí)顯示模擬熱源的溫度。本系統(tǒng)能較好的完成了題目中的全部要求。關(guān)鍵詞：MSP430F149;紅外跟蹤；無(wú)線測(cè)溫；無(wú)線通信隨著科技的日新月異，無(wú)線系統(tǒng)已經(jīng)普及到世界的各個(gè)角落，無(wú)線通信的應(yīng)用也早已問(wèn)世，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中顯得尤為重要。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括定位，測(cè)溫等功能。控制系統(tǒng)隨目標(biāo)物位置的不同利用紅外傳感器確定其位置并用溫度傳感器測(cè)得周圍溫度再用無(wú)線模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)最后顯示在液晶屏2.1總體方案描述題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能夠檢測(cè)紅外源位置和無(wú)線測(cè)溫的系統(tǒng)，系統(tǒng)分為紅外源檢測(cè)控制和無(wú)線測(cè)溫部分。紅外源檢測(cè)控制部分主要負(fù)責(zé)紅外源的檢測(cè)以及激光筆的控制，為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，該部分的設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能；無(wú)線測(cè)溫部分主要是測(cè)量模擬熱源的溫度并采用無(wú)線方式發(fā)送給紅外源檢測(cè)部分。具體框圖如圖基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)圖2-1總體設(shè)計(jì)框圖2.2微處理模塊的比較與論爭(zhēng)根據(jù)題目要求，控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用AT89C52單片機(jī)，單片機(jī)模擬產(chǎn)生PWM，通過(guò)H橋及專用的驅(qū)動(dòng)芯片。如：L298N驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)扇，角度信號(hào)通過(guò)專用的數(shù)字芯片、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式角度傳感器等，實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量。再配以由于普通單片機(jī)功性、可靠性較差。方案二：紅外目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)采用以ARM為系統(tǒng)控制器采用32位RISC微處理器ARM實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)裝置和風(fēng)扇控制功能的核心，能完成研究題目的要求，但是ARM不適合多線程操作，另外應(yīng)用在系統(tǒng)中會(huì)使電路和軟件設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。方案三：用MSP430F149做控制芯片，MSP430F149是德州公司新開(kāi)發(fā)的一類具功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，測(cè)量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右)，可靠性能好，適用于精確控制。在此系統(tǒng)中，采用MSP430F149單片機(jī)作為控制比采用ARM及AT89C52更實(shí)用基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)2.3紅外源檢測(cè)控制部分方案論證要想實(shí)現(xiàn)紅外源的跟蹤，紅外源檢測(cè)控制部分主要有三個(gè)任務(wù)：光敏器件的選取、電機(jī)控制策略和無(wú)線接收與發(fā)送。光敏器件主要起識(shí)別紅外源的作用，電機(jī)控制目的就是使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。只有能夠較好的完成這兩個(gè)任務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源的精確跟蹤，無(wú)線接收部分主要接收傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)。2.3.1光敏器件的選取方案一：光敏電阻。光敏電阻是一種光電導(dǎo)器件，隨著光照強(qiáng)度的增大，它的阻值相應(yīng)減小。所以光敏電阻常用作光電傳感器，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。但由于它對(duì)相對(duì)較長(zhǎng)距離光照強(qiáng)度的變化不是很敏感，而且容易受到外界光照的干擾。方案二：紅外接受管。紅外接收管是將紅外線光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上采取了大的改變，紅外2.3.2電機(jī)控制策略控制光敏器件和激光筆上下轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的機(jī)電器件，它的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率。由于步進(jìn)電無(wú)線收發(fā)部分方案論證電壓為1.9?3.6V，工作于433/868/915MHZ三個(gè)ISM頻道?？勺詣?dòng)處理字頭和CRC (循環(huán)冗余碼校驗(yàn))。功耗低，高抗干擾GFSK調(diào)制，可調(diào)頻，載波檢測(cè)輸出，地址匹配自動(dòng)化等領(lǐng)域。方案二：采用無(wú)線通信模塊ZigBee,它是專門為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的低成本、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和基于一個(gè)開(kāi)放的全球性標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品，它支持自愈功能的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)它允許節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)找到新的路徑。ZigBee聯(lián)盟的目工業(yè)擇方案二?；诩t外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)2.4溫度采集部分方案論證方案一：采用DALLAS公司的DS18B20單總線數(shù)字傳感器，它工作溫度是-55~125C,在-30~85C范圍內(nèi)溫度測(cè)量精度為土05C;具有設(shè)置報(bào)警功能,用戶可以設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度,且設(shè)置值掉電不丟失，采用DALLAS公司所特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信;DLLAS18B20是數(shù)字式溫度傳感器,可直接與單片的廣泛工作溫度范圍。該器件還允許多達(dá)8個(gè)不同地址，以實(shí)現(xiàn)接口總線設(shè)計(jì)的高靈活性，電路中.A0,A1,A2接地用于決定芯片的器件地址。溫度傳感器TMP275可直接輸出數(shù)字信號(hào)，而無(wú)需對(duì)采樣信號(hào)作信號(hào)調(diào)理和信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以直接傳輸給單片機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，測(cè)溫精度土0.5CTMP2750兩線串行接口(引腳SDL，SDA)與I2C總線接口兼容，可直接與其相連。方案三：選用MSP430G2553內(nèi)置的溫度傳感器，功耗低測(cè)溫范圍在要求范圍內(nèi)比較方便且節(jié)省了10資源綜上所述選擇方案三。2.5數(shù)字顯示方案在帆板控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)帆板轉(zhuǎn)角、風(fēng)速等級(jí)以及設(shè)定角度顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)顯示模塊，考慮有三種方案：方案一：使用七段數(shù)碼管(LED)顯示。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、此次設(shè)計(jì)中需要設(shè)定的參數(shù)種類符的顯示，所以使用LED顯示器不能方案二：采用LCD12864液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。方案三：采用3.2寸TFT彩屏。用該彩屏做的人機(jī)交互界面作為顯示模版顯示界面更人性化。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。2.6鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)方案在帆板控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定，因此基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)鍵盤(pán)在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：方案一：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)，易于控制適合較少的控制系統(tǒng)。方案二：采用行列式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需m根行線和n根列線就可組成mxn個(gè)按鍵的鍵盤(pán)，因此矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。但此種鍵盤(pán)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件只需要三個(gè)按鍵，所以采用方案一獨(dú)立鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1紅外源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)A點(diǎn)放置紅外源檢測(cè)系統(tǒng)，B點(diǎn)為紅外源和測(cè)溫部分測(cè)試時(shí)，紅外源支架以兩種方式移動(dòng):①以A點(diǎn)為中心，1.8m為半徑的圓周在不大于arctan(丄)60°件下支架移動(dòng)的最大距離Lo=r=23180cm376.99Cm，最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)距離A點(diǎn)的夾角為120°②紅外源支架沿半徑方向移動(dòng)，L60cm3.2光敏檢測(cè)器件的布局光敏三極管的布局直接影響到跟蹤效果，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)光源的上下左右跟蹤，可以器件越多，跟蹤效果越好強(qiáng)相等，2、4號(hào)光敏三極管感受到的光強(qiáng)相等，激光筆發(fā)出的激光正好對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源。但基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)。基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)斷1、2中哪一個(gè)光強(qiáng)強(qiáng)來(lái)調(diào)整控制水平方向方位云臺(tái)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來(lái)確保1、2感受的光強(qiáng)相等；在豎直方向，通過(guò)判斷3、4中哪一個(gè)光強(qiáng)強(qiáng)來(lái)調(diào)整控制豎直方向方位步進(jìn)電機(jī)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來(lái)確保感受的光強(qiáng)相等，如圖3-2。-2統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)4.1硬件實(shí)現(xiàn)4.1.1微處理器電路本作品采用的MSP430F149最小系統(tǒng)原理圖4-1所示]八|qr|1P63-A3翳亠瓷P*3.L3CLK1P63-A3二一PSl^OMttPdO-'STEJP4PdO-'STEJP47TBCLKIWAAP6-A7XINxotrrXINxotrr譏REF*P44T&4MJTB3PLOTACTK_PLITAflFL2PLITAflFL2TA]Q違亡二空HnP37L1UCD1?刁號(hào)負(fù)€PLSTA^S§?刁號(hào)負(fù)€PLSTA^PL45MCLKgwPL45MCLKgw#弓總g言號(hào)菖gg益臨②二嚴(yán)呻'5他1)s鼻s鼻基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)44.1.3Zigbee無(wú)線通信電路無(wú)線發(fā)送接收模塊如圖4-3一一量ll丄︱-li■ -4IF圖4-3無(wú)線發(fā)送接收電路圖4.1.4紅外檢測(cè)電路紅外接收管定位電路如圖4-4基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)圖4-4紅外檢測(cè)電路4.2程序設(shè)計(jì)基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)本次測(cè)試所使用的儀器如表5-1序號(hào)123名稱、型號(hào)、規(guī)格DT9205數(shù)字萬(wàn)用表WYK-323B直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源直尺表5-1測(cè)試使用的儀器①數(shù)設(shè)置的測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如表數(shù)量211紅外源跟蹤系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參測(cè)測(cè)試次數(shù)B端偏離原始位置(m跟蹤時(shí)間定位精度1002003004800白熾燈P=150WBB端偏離原始位置(m)7定位精度0000000跟蹤時(shí)間40測(cè)試次數(shù)12340表5-2②在激光筆基本對(duì)準(zhǔn)光源時(shí)，以A為圓心，將光源支架沿著圓周(10秒內(nèi))平穩(wěn)移動(dòng)30o,激光筆能夠連續(xù)跟蹤指向LED點(diǎn)光源。測(cè)試結(jié)果如表5-3基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試次數(shù)123跟蹤時(shí)間0s2.00s基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)43.00s表5-3③移動(dòng)60cm,記錄跟蹤時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5-4。(2)P=150W表5-4④實(shí)時(shí)的溫度，測(cè)試結(jié)果如表改變白熾燈的亮度時(shí)將光源支架沿著以A點(diǎn)為弧線次數(shù)時(shí)間6.0s24.0s35.0s46.0s次數(shù)時(shí)間16.0s25.0s36.0s45.0s當(dāng)準(zhǔn)確定位后，液晶顯示熱源5-5溫度「C溫度「C)46.6847.1847.68H48.181234表5-5基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)參考文獻(xiàn)[1]高衛(wèi)東等.AD9850DDS芯片信號(hào)源的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000[2]張新喜等.Multisim10電路仿真及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，(缺年份)[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(5版)[M].高等教育出版社,2006[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).(模擬部分)[M].(5版).高等教育出版社,2005⑸童詩(shī)白等模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第3版[M].高等教育出版社,2001⑹柯常志等.精通ProtelDXP[M].中國(guó)青年出版社，(缺年份)[7]劉樹(shù)林等.開(kāi)關(guān)變換器分析與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，(缺年份)pp基于紅外的目標(biāo)跟蹤與無(wú)限測(cè)溫系統(tǒng)控芯片圖IjI1.二I?二戸塑阡戶平平z<﹂mIE~瞿w!-卷，LCH述&「?WLX」」LueESN屮亠二二￡﹂P66A6M5P：3OF11?9X1NXOUT亠3MtEF-..VcREF-Pl]TAOP35TA2P]4SMCLKjtE血kbP^lSLMCIl-rPSOfSTElP-4-s~