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標題: 可見光室內定位裝置設計報告-2017電賽資料 [打印本頁]

作者: 南叔先生 時間: 2018-2-8 23:16
標題: 可見光室內定位裝置設計報告-2017電賽資料

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

摘要
本系統由STC89C52RC最小系統板為核心，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。頂部平面采用三個開關，一個47Ω的電阻和一個二極管組成控制電路，控制三個大功率發光二極管。由此完成定位。

目錄
1             設計任務與要求          ...............................................................................4
1.1             設計任務 ................................................................................................4...
2             設計要求...........................................................................................4
2.1             基本要求 ................................................................................................4...
2.2             發揮部分 ................................................................................................5...
3             系統方案...........................................................................................5
3.1             電源的論證與選擇          .................................................................................6..
3.2             光敏傳感器模塊的論證與選擇          .............................................................6..
3.3  控制系統的論證與選擇.........................................................................6..
3.4顯示模塊的論證與選擇.........................................................................7..
4             方案描述...........................................................................................8
4.1             光源及探測器特性          .................................................................................8..
4.2             驅動電路 ................................................................................................9...
4.3             數據編碼 ..............................................................................................1..0.
4.4             數據解碼 ..............................................................................................1..1.
4.5             識別映射 ..............................................................................................1..2.
5             設計分析與計算          .............................................................................12
5.1             檢測 XY軸坐標 .....................................................................................1..2
5.2             A/D 轉換模塊 ........................................................................................1..3
5.3             鍵盤輸入 ..............................................................................................1..3.
5.4             電源模塊 ..............................................................................................1..3.
5.5             電路原理框圖 .......................................................................................1..3
5.6             結構尺寸圖 ..........................................................................................1..4.
6             測試方案與測試結果          .....................................................................14
6.1             測試方案 ..............................................................................................1..4.
6.1.1             硬件測試..............................................................................................1..4.
6.1.2             軟件仿真測試.......................................................................................1..4
6.1.3             硬件軟件聯調.......................................................................................1..4
6.2             零件原理圖匯總 ...................................................................................1..5
6.3             測試條件與儀器 ...................................................................................1..5
7             軟件設計.........................................................................................15
7.1             主程序流程圖 .......................................................................................1..5
8             程序清單（見附件一）          ..................................................................16
9             測試方案與測試結果          .....................................................................16
9.1             測試方案 ..............................................................................................1..6.
9.1.1             硬件測試..............................................................................................1..6.
9.1.2             軟件仿真測試.......................................................................................1..6
9.1.3             硬件軟件聯調.......................................................................................1..6
9.2             測試條件與儀器 ...................................................................................1..6
9.3             測試結果及分析 ...................................................................................1..6
10             結論和總結 ..........................................................................17
10.1             對設計的小結 .......................................................................................1..7
10.2             設計收獲體會 .......................................................................................1..7
10.3             對設計進一步完善的建議          ...................................................................1..7

1             設計任務與要求
1.1             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                         80cm× 80cm×80cm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。
2             設計要求
2.1             基本要求

（ 1）傳感器位于             B 、 D 區域，測量電路能正確區分其位于橫坐標軸的上、下區域。

（ 2）傳感器位于             C、 E 區域，測量電路能正確區分其位于縱坐標軸的左、右區域。

（ 3）傳感器位于             A             區域，測量顯示其位置坐標值，絕對誤差不
大于 10cm。

（ 4）傳感器位于             B 、 C、D、E 區域，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。
2.2             發揮部分

（ 1）傳感器位于底部平面任意區域，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 +12V 單電源供電，供電功率不大于          5W。
（ 5）其他。
3             系統方案

本系統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。

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。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：自行設計穩壓電源模塊給系統各部分供電，             由于各穩壓

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。
3.2             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。
3.3             控制系統的論證與選擇

AT89C52這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間短。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 2—3 AT89C52 單片機的基本結構

3.4 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。

4 方案描述

按照設計的基本要求，系統可分為三大模塊，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

單光敏

傳感信號放

大器器

信號轉

換

片制

機

LCD 顯示

可見光室內定位裝置模塊設計圖

4.1 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實現穩定可靠的無線通信 , 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 發光光譜 ,可見白光 LED 光源發出的光譜主要包括峰值在 442nm 處由LED 自身發出的藍光和峰值在

561nm 處由熒光粉受激發產生的黃光。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。

4.2 驅動電路

LED 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。

4.3 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。碼頭由一個連續的 235φs 的高低電平組成 , 結束碼由一個 150φ s 低電平組成。地址碼、地址反碼、指令碼和指令反碼均為 8 位數據格式 , 按照低位在前高位在后的順序發送 , 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。光源在循環發送位置信息的過程中 , 在空閑時隙系統向 LED 光源發送的均為高電平 , 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 112φ s(28 φs 高電平和 84φs 低電平 ), 一個邏輯 0 的傳輸設定為 56φ s(28 φs 高電平和 28φ s 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光源對應區域的地址坐標 , “34 ”字段表示對當前坐標在室內環境中的一種具體提示指令。根據標簽定位技術的特點 , 為避免在定位區域中出現待測目標同時接收多個信號源發來的位置信息而出現的混亂現象 , 系統在發射端會對多個 LED 光源進行分時發送信號。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 ] , 但如果出現連續的邏輯1 或連續的邏輯 0 時 , 將會導致 LED 光源發光亮度發生變化 , 影

響照明效果。因此在系統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 光源在發送定位信息時對

照明產生的影響。

圖 3.3 數據編碼示意圖

4.4 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 STC89C52R處C 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 設定為連續的 28 φ s 高電平和 84s 低電平 , 邏輯 0 設定為 28φ s 高電平和 28φs 低電平 , 反向放大電路會使收發信號相位相反 , 因此接收端成功接收到的邏輯 1 應當為連續的 28φs 低電平和 84 φ s 高電平 , 邏輯 0 應當為 28φ s 低電平和 28φs 高電平。同時邏輯電平中的低電平持續時間均為 28 φ

s, 所以在數據解碼時只需捕獲高電平的持續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 , 大大降低了解碼的復雜度。具體解碼過程為如下 : 將 STC89C52R處C 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。

4.5 識別映射

系統對所有用于定位的 LED 光源進行標號 , 不同的標號對應室內環境中不同區域。每個 LED 光源都循環發送唯一的位置信息。當移動終端移動到指定區域時 , 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 STC89C52R處C 理器對信息進行解碼。當系統解碼出發射端所發送的位置信息后 , 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。

5 設計分析與計算

5.1 檢測 XY 軸坐標

本系統由 STC89C52RC最小系統板為核心，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。

5.2 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，低廉的價格等優勢 . 綜合分析，我們最終選擇了精度為準確的 HX711。

5.3 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。

5.4 電源模塊

此次設計的穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，如圖

5.5 電路原理框圖

5.6 結構尺寸圖

6 測試方案與測試結果

6.1 測試方案

6.1.1 硬件測試

穩壓電源的波形測試，比較穩定，符合要求，稱重傳感系統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。

6.1.2 軟件仿真測試

通過 keil5 軟件在線調試，程序編譯正確，執行正常。延時等子程序符合要求。

6.1.3 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，系統能夠較順利完成基本和發揮部分。

6.2 零件原理圖匯總

6.3 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。

7 軟件設計

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 ( 雙字節乘法、二一十進制轉換程序及逆轉換程序 ) 、 LCD 液晶靜態顯示子程序等模塊。所有程序均采用 C匯編語言編寫。可見光室內裝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。

7.1 主程序流程圖

主程序流程圖給出了系統工作的基本過程，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

傳感

開始器檢

測

初始化

LCD

AD轉換數據

X、 Y 軸的坐標顯示

8 程序清單（見附件一）

9 測試方案與測試結果

9.1 測試方案

9.1.1 硬件測試

穩壓電源的波形測試，比較穩定，符合要求，光敏傳感系統輸出信號基本沒有受影響，顯示屏顯示正常，不在電位計盲區下滿足。

9.1.2 軟件仿真測試

通過 keil4 軟件在線調試，程序編譯正確，執行正常。延時等子程序符合要求。

9.1.3 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，系統能夠較順利完成基本和發揮部分。

9.2 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。

9.3 測試結果及分析

坐標（0,0 ）（20,20 ）（-20,20 ）（ -20 ，-20 ）（20，-20 ）

AD 數字量 96 118 112 103 105

經過測試，坐標值與 AD數字量成線性關系，整個系統精度較高，基

本滿足題目指標要求。

10 結論和總結

10.1 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，符合可持續發展的環保道路，而且其構造穩固，有利于系統性能的發揮。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，換上更加優質的元器件，其性能會更加完美。

10.2 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增強了我們的合作精神，促進了我們的友誼！

10.3 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，可以換上性能更加好的元器件；

3、機械結構的構架待加強

全部資料51hei下載地址：

室內可見光定位裝置.pdf (1.09 MB, 下載次數: 285)

作者: 憧憬or泡沫 時間: 2018-2-26 22:58
謝謝，這個太有用了，才看到

作者: 小狗吃大白菜 時間: 2018-3-11 21:07
樓主想問下PDF里面的程序是全部程序嗎？我正在做這個

作者: a1329166892 時間: 2018-4-18 15:47
畢設做這個，請問可以分享更多資料嗎

作者: ycn_1314 時間: 2019-3-23 23:06
能上傳全部的代碼嗎，子程序

作者: naijia 時間: 2019-4-15 14:36
樓主你好，我十分想請教關于可見光通信室內定位系統的問題，1273488294@qq.com，關于如何進行編碼和解碼以及怎樣實現最后的定位的？

作者: Frank-7 時間: 2019-4-15 16:38

a1329166892 發表于 2018-4-18 15:47
畢設做這個，請問可以分享更多資料嗎

做出來了嗎

作者: 牛在飛 時間: 2019-5-31 11:21
已經下載學習了

作者: daq1201 時間: 2019-7-30 20:06
下載學習

作者: ningxinning 時間: 2019-8-2 10:57
扣了兩次黑幣，沒有下載成功。

作者: 風中飄 時間: 2020-1-8 22:39
做出來了嗎

作者: 馮666 時間: 2021-9-28 17:09

憧憬or泡沫發表于 2018-2-26 22:58
**** 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽 ****

您好，請問您有可見光室內定位裝置的全部程序嗎？

作者: 馮666 時間: 2021-9-28 17:10

小狗吃大白菜發表于 2018-3-11 21:07
樓主想問下PDF里面的程序是全部程序嗎？我正在做這個

您好，請問您有可見光定位裝置的程序嗎

作者: q1065406715 時間: 2022-4-18 22:15
下載來學習一下，謝謝大佬分享

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