室內可見光定位裝置

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2017全國大學生電子設計競賽設計報告可見光室內定位裝置(I題)菏澤學院蔣震機電工程學院編號：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，光敏傳感器根據光照強度分別檢測XY軸坐標，PCF8591A/D轉換器將傳感器檢測的光照轉化為數字量，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。按鍵按下將當前的數字量記錄下來并設為基準值，根據新檢測的數字量相對基準值判斷Y軸坐標，從而實現校正原點。頂部平面采用

2、三個開關，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。關鍵詞： STC89C52RC最小系統(tǒng)板 光敏傳感器 PCF8591A/D轉換器 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 標題 1,1,標題 2,2 設計任務與要求設計任務設計并制作可見光室內定位裝置，其構成示意圖如圖 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 個側面）。頂部平面放置 3 個白光 LED，其位置和角度自行設置，由 LED 控制 電路進行控制和驅動；底部平面繪制縱橫坐標線（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， 測量電路根據傳感器檢測的信號判定傳感器的位置。設計要求基本要求（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值，絕對誤差不大于 10cm。（5）測量電路 LCD 顯示坐標值，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值，絕對誤差不大于 3cm。（2）LED 控制電路可由鍵盤輸入阿拉伯數字，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：采用開關電源效率高，但是需要購買，且比較貴。 方案三：自行設計穩(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，做好濾波設計，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)設備的要求很低，開發(fā)時間短。寫入單片機內的程序還可以進行加密。再者AT89C52目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。所以選用AT89C52為主控芯片。圖23 AT89C52單片機的基本結構顯示模塊的論證與選擇 LED數碼管顯示實現原理簡單，顯示直觀，編程簡單，但顯示內容單一，若要同時顯示坐標軸，區(qū)域位置等諸多信息則需要大量的數碼管，而且不能顯示中文，由此增加了電路的復雜程度，也加大了編程的難度。 LCD可以設置顯示坐標軸等信息，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，其顯示技術已經得到廣泛的應用。 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計的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數據采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數據采集模塊由電阻應變片傳感器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成。轉換后的數字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數字量的處理，驅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換信號放大器光敏傳感器信號轉換信號放大器LCD顯示 LCD顯示可見光室內定位裝置模塊設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,LED 光源功率與電流呈線性關系,光源具有良好的調制特性。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)出的藍光和峰值在 561nm 處由熒光粉受激發(fā)產生的黃光。而實驗選用的光電探測器的光譜最大響應靈敏度在516nm 處,如圖 2 ( c )所示,位于藍光和黃光的峰值波長之間,且光譜響應范圍涵蓋整個可見光波段。 驅動電路LED

11、 驅動電路除了提供足夠寬范圍的開關電流以保證白光 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,確保信號經調制后能線性輸出。設計的白光LED光源驅動電路經過STM89C52處理器編碼產生的傳輸信息作為驅動電路的輸入,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,該電路可根據所用光源的特性通過調節(jié)可變電阻值實現對輸出量的改變,依據實際應用中的光源參數進行靈活調節(jié)。數據編碼數據傳輸的格式包括:起始碼頭、地址碼、地址反碼、指令碼、指令反碼和結束碼。碼頭由一個連續(xù)的235s的高低電平組成,結束碼由一個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位數據格式,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。我們將一個邏輯1的傳輸設定為112s(28s高電平和84s低電平),一個邏輯 0 的傳輸設定為56s(28s高電平和28s低電平),具體數據編碼格式如圖3.3所示。圖3.3反映位置信息的數據格式“ 0-256-34-221 ”,其中“ 0 ”字段即LED光源對應區(qū)域的地址坐標,“ 34 ”字段表示對當前坐標在室內環(huán)境中的一種具體提示指令。根據標簽定

13、位技術的特點,為避免在定位區(qū)域中出現待測目標同時接收多個信號源發(fā)來的位置信息而出現的混亂現象,系統(tǒng)在發(fā)射端會對多個 LED 光源進行分時發(fā)送信號。當傳輸信號的頻率大于 60Hz 時,白光 LED 燈不會出現明顯的閃爍現象,人眼也無法分辨 11-12 ,但如果出現連續(xù)的邏輯 1 或連續(xù)的邏輯 0 時,將會導致 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生的影響。圖3.3 數據編碼示意圖數據解碼在接收端,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。由于數據在編碼時將邏輯 1 設定為連續(xù)的 28 s 高電平和 84s低電平,邏輯0設定為 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 應當為連續(xù)的28s低電平和 84s高電平,邏輯0應當為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,所以在數據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、解碼的復雜度。具體解碼過程為如下:將STC89C52RC處理器的輸入捕獲模式設置為上升沿捕獲,當捕獲到上升沿后,立即將輸入捕獲模式設置為下降沿捕獲(即捕獲高電平),隨后清零定時器的計數器值,并標記捕獲到上升沿。當下降沿到來時,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束碼則表示一組數據接收成功。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 光源進行標號,不同的標號對應室內環(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換為電信號,經濾波放大后通過STC89C52RC處理器對信息進行解碼。當系統(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,而室內環(huán)境中 LED 光源的實際位置信息預先存在數據庫中,當 PC 終端收到解碼后的位置信息時會通過查詢數據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高級語言編寫并設計了室內可見光定位助手軟件,不僅可以根據環(huán)境需要靈活地更換地圖信息,還可以根據移動終端的位置變化來實時更新當前的位置信息。設計分析與計算檢測XY軸

17、坐標本系統(tǒng)由 STC89C52RC最小系統(tǒng)板為核心，光敏傳感器根據光照強度分別檢測XY軸坐標。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，用來檢測XY軸距離。A/D轉換模塊 考慮到其他部分所帶來的干擾，所以我們選擇24位的A/D轉換器。作為電子秤，系統(tǒng)對AD轉換速度要求并不高，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確的HX711。 鍵盤輸入 通過按鍵控制原點校正，按校正按鍵將當前的數字量記錄下來并設為基準值，根據新檢測的數字量相對基準值判斷XY軸坐標。電源模塊 此次設計的穩(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構尺寸圖測試方案與測試結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。硬件軟件聯調通過串口將程序下載至單片機中，打開單片機電源開關，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：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表。軟件設

19、計可見光室內裝置設計均采用模塊化設計，整個程序包括主程序、數據處理子程序(雙字節(jié)乘法、二一十進制轉換程序及逆轉換程序)、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?？梢姽馐覂妊b置的軟件設計思路說明如下：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。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，起到一個向導的作用。主程序流程圖AD轉換數據X、Y軸的坐標顯示等初始化LCD傳感器檢測開始 AD轉換數據X、Y軸的坐標顯示等初始化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。硬件軟件聯調通過串口將程序下載至單片機中，打開單片機電源開關，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：數字萬用表。測試結果及分析坐標（0,0）（20,20）（-20,20）（-20，-20）（20，-20）AD數字量96118112103105經過測試，坐標

21、值與AD數字量成線性關系，整個系統(tǒng)精度較高，基本滿足題目指標要求。結論和總結對設計的小結此可見光室內定位裝置，總體結構簡潔、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，而且其構造穩(wěn)固，有利于系統(tǒng)性能的發(fā)揮。檢測出來的數據顯示，其總體性能比較好，機械性能不錯，如果經濟允許，換上更加優(yōu)質的元器件，其性能會更加完美。設計收獲體會通過這次比賽，我們收獲匪淺。學到了很多全新的知識，比如A/D數模轉換，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、經濟允許