1.1 設計任務

設計并制作可見光室內(nèi)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(qū)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(jù)傳感器檢測的信號判定傳感器的位置。

2.1 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 10cm。
（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(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+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(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(diào)，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(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。

3.3 控制系統(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(nèi)的程序還可以進行加密。再者AT89C52目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。所以選用AT89C52為主控芯片。

3.4 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(jīng)得到廣泛的應用。

綜上所述，選用LCD1602液晶顯示屏更優(yōu)。

4 方案描述

按照設計的基本要求，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。

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(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(qū)動電路

LED 驅(qū)動電路除了提供足夠?qū)挿秶拈_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(jīng)調(diào)制后能線性輸出。設計的白光LED光源驅(qū)動電路經(jīng)過處理器編碼產(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)實際應用中的光源參數(shù)進行靈活調(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、指令反碼和結束碼。碼頭由一個連續(xù)的235φs的高低電平組成,結束碼由一個150φs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112φs(28φs高電平和84φs低電平),一個邏輯 0 的傳輸設定為56φs(28φs高電平和28φs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光源對應區(qū)域的地址坐標,“ 34 ”字段表示對當前坐標在室內(nèi)環(huán)境中的一種具體提示指令。根據(jù)標簽定位技術的特點,為避免在定位區(qū)域中出現(xiàn)待測目標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。

4.4 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 設定為連續(xù)的 28 φ s 高電平和 84s低電平,邏輯0設定為 28φs高電平和28φs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28φs低電平和 84φs高電平,邏輯0應當為28φs低電平和28φs高電平。同時邏輯電平中的低電平持續(xù)時間均為 28φs,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(shù)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(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(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(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先存在數(shù)據(jù)庫中,當 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(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。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。

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確的HX711。