1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作可見(jiàn)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 80cm×80cm×80cm 的立方空間（包含頂部、底部和 3 個(gè)側(cè)面）。頂部平面放置 3 個(gè)白光 LED，其位置和角度自行設(shè)置，由 LED 控制電路進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)；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(gè)區(qū)域，如圖 2 所示。要求在 3 個(gè) LED 正常照明（無(wú)明顯閃爍）的情況下，測(cè)量電路根據(jù)傳感器檢測(cè)的信號(hào)判定傳感器的位置。

2.1 設(shè)計(jì)要求

基本要求：

（1）傳感器位于 B、D 區(qū)域，測(cè)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(cè)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(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對(duì)誤差不大于 10cm。
（4）傳感器位于 B、C、D、E 區(qū)域，測(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對(duì)誤差不大于 10cm。
（5）測(cè)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(cè)量顯示其位置坐標(biāo)值，絕對(duì)誤差不大于 3cm。
（2）LED 控制電路可由鍵盤(pán)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(cè)量電路能接收并顯示 3 個(gè) LED 發(fā) 送的數(shù)字信息。
（3）LED 控制電路外接 3 路音頻信號(hào)源，在正常照明和定位的情況下，測(cè) 量電路能從 3 個(gè) LED 發(fā)送的語(yǔ)音信號(hào)中，選擇任意一路進(jìn)行播放，且接收的語(yǔ)音信號(hào)均無(wú)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(cè)模塊測(cè)量電路顯示模塊，下面分別論證這幾個(gè)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(kāi)關(guān)電源效率高，但是需要購(gòu)買(mǎi)，且比較貴。

方案三：自行設(shè)計(jì)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(jì)，使用效果也不錯(cuò)。

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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。

3.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇

AT89C52這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。再者AT89C52目前的售價(jià)比8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)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(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，顯示直觀，編程簡(jiǎn)單，但顯示內(nèi)容單一，若要同時(shí)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(huà)面友好及抗干擾能力強(qiáng)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)。

4 方案描述

按照設(shè)計(jì)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(jī)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(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)該數(shù)字量的處理，驅(qū)動(dòng)顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。

4.1 光源及探測(cè)器特性

實(shí)驗(yàn)選用 3W 的大功率白光 LED 作為信號(hào)源,為在盡可能不影響光源正常工作的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無(wú)線通信,實(shí)驗(yàn)選用略低于額定工作電流的 500mA 作為直流偏置點(diǎn)。圖 2 所示為白光 LED 光源及光電探測(cè)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(cè)得的白光 LED發(fā)光光譜,可見(jiàn)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(shí)驗(yàn)選用的光電探測(cè)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(zhǎng)之間,且光譜響應(yīng)范圍涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路

LED 驅(qū)動(dòng)電路除了提供足夠?qū)挿秶拈_(kāi)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(diǎn),使光源能輸出足夠的功率并具有良好的線性度,確保信號(hào)經(jīng)調(diào)制后能線性輸出。設(shè)計(jì)的白光LED光源驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)處理器編碼產(chǎn)生的傳輸信息作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入,將輸入信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)可變電阻值實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的改變,依據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的光源參數(shù)進(jìn)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(jié)束碼。碼頭由一個(gè)連續(xù)的235φs的高低電平組成,結(jié)束碼由一個(gè)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(guò)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(guò)程中,在空閑時(shí)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(gè)邏輯1的傳輸設(shè)定為112φs(28φs高電平和84φs低電平),一個(gè)邏輯 0 的傳輸設(shè)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(duì)應(yīng)區(qū)域的地址坐標(biāo),“ 34 ”字段表示對(duì)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)簽定位技術(shù)的特點(diǎn),為避免在定位區(qū)域中出現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)源發(fā)來(lái)的位置信息而出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象,系統(tǒng)在發(fā)射端會(huì)對(duì)多個(gè) LED 光源進(jìn)行分時(shí)發(fā)送信號(hào)。當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率大于 60Hz 時(shí),白光 LED 燈不會(huì)出現(xiàn)明顯的閃爍現(xiàn)象,人眼也無(wú)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(shí),將會(huì)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(gè)變化脈沖組成,可以有效減少 LED 光源在發(fā)送定位信息時(shí)對(duì)照明產(chǎn)生的影響。

4.4 數(shù)據(jù)解碼

在接收端,光電探測(cè)器將接收到的位置信息傳送給濾波放大電路,由于實(shí)驗(yàn)中選用的是反向放大電路,因此經(jīng)過(guò)濾波放大處理后的信號(hào)與原始信號(hào)的相位相反,并且信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼。由于數(shù)據(jù)在編碼時(shí)將邏輯 1 設(shè)定為連續(xù)的 28 φ s 高電平和 84s低電平,邏輯0設(shè)定為 28φs高電平和28φs低電平,反向放大電路會(huì)使收發(fā)信號(hào)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28φs低電平和 84φs高電平,邏輯0應(yīng)當(dāng)為28φs低電平和28φs高電平。同時(shí)邏輯電平中的低電平持續(xù)時(shí)間均為 28φs,所以在數(shù)據(jù)解碼時(shí)只需捕獲高電平的持續(xù)時(shí)間即能判定出邏輯電平,進(jìn)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(fù)雜度。具體解碼過(guò)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(shí)器的計(jì)數(shù)器值,并標(biāo)記捕獲到上升沿。當(dāng)下降沿到來(lái)時(shí),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(kāi)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(guò)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(kāi)始下一次捕獲。

4.5 識(shí)別映射

系統(tǒng)對(duì)所有用于定位的 LED 光源進(jìn)行標(biāo)號(hào),不同的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)室內(nèi)環(huán)境中不同區(qū)域。每個(gè) LED 光源都循環(huán)發(fā)送唯一的位置信息。當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到指定區(qū)域時(shí),通過(guò)探測(cè)器將采集到的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)濾波放大后通過(guò)STC89C52RC處理器對(duì)信息進(jìn)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(guò) 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(shí)際位置信息預(yù)先存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng) PC 終端收到解碼后的位置信息時(shí)會(huì)通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行比較和識(shí)別,只有比對(duì)一致的位置信息才會(huì)進(jìn)一步被映射到地圖上,否則系統(tǒng)將放棄本次位置識(shí)別。PC終端利用C高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)并設(shè)計(jì)了室內(nèi)可見(jiàn)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(dòng)終端的位置變化來(lái)實(shí)時(shí)更新當(dāng)前的位置信息。

5 設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

5.1 檢測(cè)XY軸坐標(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(qiáng)度分別檢測(cè)XY軸坐標(biāo)。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，用來(lái)檢測(cè)XY軸距離。

5.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

考慮到其他部分所帶來(lái)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(duì)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(qiáng)和精確差分輸入，低廉的價(jià)格等優(yōu)勢(shì).綜合分析，我們最終選擇了精度為準(zhǔn)確的HX711。