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室内可見光定位裝置
1.1 設計任務
設計并制作可見光室内定位裝置，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定，由 LED 控制 電路進行控制和驅動；底部平面繪制縱橫坐标線（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号判定傳感器的位置。
2.1 設計要求
基本要求：
（1）傳感器位于 B、D 區域，測量電路能正确區分其位于橫坐标軸的上、 下區域。
（2）傳感器位于 C、E 區域，測量電路能正确區分其位于縱坐标軸的左、 右區域。
（3）傳感器位于 A 區域，測量顯示其位置坐标值，絕對誤差不大于 10cm。
（4）傳感器位于 B、C、D、E 區域，測量顯示其位置坐标值，絕對誤差不 大于 10cm。
（5）測量電路 LCD 顯示坐标值，顯示分辨率為 0.1cm。
發揮部分：
（1）傳感器位于底部平面任意區域，測量顯示其位置坐标值，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 送的數字資訊。
（3）LED 控制電路外接 3 路音頻信号源，在正常照明和定位的情況下，測 量電路能從 3 個 LED 發送的語音信号中，選擇任意一路進行播放，且 接收的語音信号均無明顯失真。
（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
本系統主要由電源子產品 傳感器檢測子產品 測量電路 顯示子產品，下面分别論證這幾個子產品的抉擇。
3.1 電源的論證與選擇
方案一：直接使用電池組供電，該電源随着使用電壓不穩。
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：自行設計穩壓電源子產品給系統各部分供電，由于各穩壓晶片不貴，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 光敏傳感器子產品的論證與選擇
光敏傳感器是利用光敏元件将光信号轉換為電信号的傳感器，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。光傳感器不隻局限于對光的探測，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，隻要将這些非電量轉換為光信号的變化即可。
3.3 控制系統的論證與選擇
AT89C52這種單片機對開發裝置的要求很低，開發時間短。寫入單片機内的程式還可以進行加密。再者AT89C52目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。是以選用AT89C52為主要晶片。
3.4 顯示子產品的論證與選擇
LED數位管顯示實作原理簡單，顯示直覺，程式設計簡單，但顯示内容單一，若要同時顯示坐标軸，區域位置等諸多資訊則需要大量的數位管，而且不能顯示中文，由此增加了電路的複雜程度，也加大了程式設計的難度。
LCD可以設定顯示坐标軸等資訊，它具有低功耗，可視面大，畫面友好及抗幹擾能力強等功能，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，系統可分為三大子產品，資料采集子產品、控制器子產品、人機互動界面子產品。其中資料采集子產品由電阻應變片傳感器、信号的前級處理和A/D轉換部分組成。轉換後的數字信号送給控制器處理，由控制器完成對該數字量的處理，驅動顯示子產品完成人機間的資訊交換。
4.1 光源及探測器特性
實驗選用 3W 的大功率白光 LED 作為信号源,為在盡可能不影響光源正常工作的前提下實作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,在最大工作電流範圍内,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 處由熒光粉受激發産生的黃光。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,且光譜響應範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範圍的開關電流以保證白光 LED 的正常工作外,還須提供合适的靜态工作點,使光源能輸出足夠的功率并具有良好的線性度,確定信号經調制後能線性輸出。設計的白光LED光源驅動電路經過處理器編碼産生的傳輸資訊作為驅動電路的輸入,将輸入信号進行放大的同時給予一定的偏置,確定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作對輸出量的改變,依據實際應用中的光源參數進行靈活調節。
4.3 資料編碼
資料傳輸的格式包括:起始碼頭、位址碼、位址反碼、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150φs低電平組成。位址碼、位址反碼、指令碼和指令反碼均為8位資料格式,按照低位在前高位在後的順序發送,增加位址反碼和指令反碼是為了提高資訊傳輸過程中的準确性和可靠性。光源在循環發送位置資訊的過程中,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。我們将一個邏輯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),具體資料編碼格式如圖3.3所示。圖3.3反映位置資訊的資料格式“ 0-256-34-221 ”,其中“ 0 ”字段即LED光源對應區域的位址坐标,“ 34 ”字段表示對目前坐标在室内環境中的一種具體提示指令。根據标簽定位技術的特點,為避免在定位區域中出現待測目标同時接收多個信号源發來的位置資訊而出現的混亂現象,系統在發射端會對多個 LED 光源進行分時發送信号。當傳輸信号的頻率大于 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,将會導緻 LED 光源發光亮度發生變化,影響照明效果。是以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 光源在發送定位資訊時對照明産生的影響。
4.4 資料解碼
在接收端,光電探測器将接收到的位置資訊傳送給濾波放大電路,由于實驗中選用的是反向放大電路,是以經過濾波放大處理後的信号與原始信号的相位相反,并且信号被整形為 TTL (半導體 - 半導體邏輯)電平的串行資訊,利用STC89C52RC處理器的輸入捕獲功能對信号進行解碼。由于資料在編碼時将邏輯 1 設定為連續的 28 φ s 高電平和 84s低電平,邏輯0設定為 28φs高電平和28φs低電平,反向放大電路會使收發信号相位相反,是以接收端成功接收到的邏輯 1 應當為連續的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時間均為 28φs,是以在資料解碼時隻需捕獲高電平的持續時間即能判定出邏輯電平,進一步處理後即可解析出原始的位置資訊,大大降低了解碼的複雜度。具體解碼過程為如下:将STC89C52RC處理器的輸入捕獲模式設定為上升沿捕獲,當捕獲到上升沿後,立即将輸入捕獲模式設定為下降沿捕獲(即捕獲高電平),随後清零定時器的計數器值,并标記捕獲到上升沿。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,然後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資料接收成功。如果在捕獲過程中位址碼與位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 識别映射
系統對所有用于定位的 LED 光源進行标号,不同的标号對應室内環境中不同區域。每個 LED 光源都循環發送唯一的位置資訊。當移動終端移動到指定區域時,通過探測器将采集到的可見光信号轉換為電信号,經濾波放大後通過STC89C52RC處理器對資訊進行解碼。當系統解碼出發射端所發送的位置資訊後,通過 UART 子產品将資訊傳送至 PC 終端,而室内環境中 LED 光源的實際位置資訊預先存在資料庫中,當 PC 終端收到解碼後的位置資訊時會通過查詢資料庫來進行比較和識别,隻有比對一緻的位置資訊才會進一步被映射到地圖上,否則系統将放棄本次位置識别。PC終端利用C進階語言編寫并設計了室内可見光定位助手軟體,不僅可以根據環境需要靈活地更換地圖資訊,還可以根據移動終端的位置變化來實時更新目前的位置資訊。
5 設計分析與計算
5.1 檢測XY軸坐标
本系統由 STC89C52RC最小系統闆為核心，光敏傳感器根據光照強度分别檢測XY軸坐标。光敏傳感器是利用光敏元件将光信号轉換為電信号的傳感器，用來檢測XY軸距離。
5.2 A/D轉換子產品
考慮到其他部分所帶來的幹擾，是以我們選擇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：抗幹擾能力強和精确差分輸入，低廉的價格等優勢.綜合分析，我們最終選擇了精度為準确的HX711。
5.3 鍵盤輸入
通過按鍵控制原點校正，按校正按鍵将目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軸坐标。
5.4 電源子產品
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 電路原理圖