基于STM32F103ZE的紅外線的目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)(最后報(bào)告).doc

基于紅外線的目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)報(bào)告摘要：本裝置是采用STM32F103ZE為控制核心的基于紅外線的目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確的在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)跟蹤儀A對(duì)白熾燈模擬熱源B的自動(dòng)搜索與實(shí)時(shí)定位。完成定位后A端能實(shí)現(xiàn)聲提示并向B下達(dá)溫度傳送指令，再定時(shí)接收存儲(chǔ)由B端送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)及繪制溫度曲線。設(shè)計(jì)中，由光敏三極管（3DU33）組成的傳感器陣列檢測(cè)B發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管（9013）將光信號(hào)放大后并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)單片機(jī)處理這些信號(hào)后，確定點(diǎn)光源的位置，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)自動(dòng)跟蹤光信號(hào)；由溫度傳感器（ds18b20）檢測(cè)B端溫度經(jīng)無(wú)線收發(fā)芯片（nRF905）實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。一、系統(tǒng)方案1、方案比較與選擇1）信號(hào)采集元件的選擇方案一：利用光敏電阻在不同光照強(qiáng)度下電阻阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小的原理來(lái)提取信號(hào)。光敏電阻比較穩(wěn)定，能夠很好的把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而且經(jīng)濟(jì)適用；但其反應(yīng)不夠靈敏，而且受周圍環(huán)境溫度的影響比較大。方案二：使用光敏二極管作為采光原件。當(dāng)遇到外界光照時(shí)，光敏電阻內(nèi)PN結(jié)的電子和空穴會(huì)增多從而其值會(huì)下降。它感光性能良好，穩(wěn)定而且反應(yīng)速度快；但是其電流值太小，不便于信號(hào)的提取，后級(jí)需要很大的信號(hào)放大，這樣就導(dǎo)致誤差增大。方案三：使用光敏三極管作為信號(hào)提取元件。光敏三級(jí)管不僅采光性能靈敏穩(wěn)定，而且其本身就具備電流放大作用；如果仍不能達(dá)到要求可以使用達(dá)林頓光敏三極管來(lái)放大電流。綜合考慮上述三種方案，我們最終選擇方案三。2）控制電機(jī)的選擇電機(jī)布局：在圓形基架的兩條對(duì)稱軸線上分別設(shè)置互相垂直的兩根軸XX和YY，其中軸YY與基座轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，軸XX與工作平臺(tái)固聯(lián)并與基架轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，電機(jī)l通過(guò)軸XX帶動(dòng)工作平臺(tái)相對(duì)基架轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)2通過(guò)軸YY帶動(dòng)基架相對(duì)基座轉(zhuǎn)動(dòng)。軸XX采用背對(duì)背滾動(dòng)軸承，有效地減輕了XX軸的剪切力。軸YY采用圓錐滾子軸承，方便地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐兩大功用。方案一：直流電機(jī)，其調(diào)速控制很方便，但是旋轉(zhuǎn)角度及正反轉(zhuǎn)不好控制，對(duì)于本題的定位跟蹤，需要很精確的角度控制，因此沒(méi)有采用此方案。方案二：減速步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48，步進(jìn)電機(jī)可以采用步進(jìn)細(xì)分技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位，其正反轉(zhuǎn)及速度控制靈活，但是對(duì)于本題要在空間X及Y軸方向上實(shí)現(xiàn)定位，就需要搭建步進(jìn)電機(jī)的架構(gòu)來(lái)使其在空間定位，手工搭建的平臺(tái)由于連接不夠緊密導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此也沒(méi)有采用此方案。方案三：云臺(tái)控制，云臺(tái)的架構(gòu)已經(jīng)搭好，且正反轉(zhuǎn)控制靈活，控制電路已經(jīng)在內(nèi)部做好，只需讓繼電器切換就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，因此我們選擇了此方案。3）無(wú)線傳輸模塊方案一：采用無(wú)線紅外遙控發(fā)射/接收系統(tǒng)。運(yùn)用脈沖寬度編碼（PPM碼）的方式，具有編碼簡(jiǎn)單易懂、成本低等特點(diǎn)，但兩個(gè)設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，中間不能有阻擋物，在傳輸整型數(shù)據(jù)時(shí)編碼很容易，但是對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)，軟件中的數(shù)據(jù)處理就會(huì)很復(fù)雜，且通訊距離較短，發(fā)送代碼的速度較慢，發(fā)送一個(gè)8bit的代碼數(shù)據(jù)最長(zhǎng)需要85.5ms（9ms+4.5ms+32*2.25ms）的時(shí)間，且容易受干擾，因此它只適用于控制開(kāi)關(guān)量的場(chǎng)合，而不適用于發(fā)送大容量高速數(shù)據(jù)代碼的場(chǎng)合。方案二：采用nRF905無(wú)線射頻收發(fā)器組成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。nRF905集成度高，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元器件少，抗干擾能力強(qiáng)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，功耗非常低。故選此方案。2、系統(tǒng)方案描述本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、點(diǎn)光源模塊及信號(hào)采集與處理模塊、顯示模塊、人機(jī)交互模塊、無(wú)線傳輸模塊及溫度傳感器模塊等組成。用STM32F103ZE單片機(jī)為控制核心，用光敏三極管（3DU33）組成的傳感器陣列檢測(cè)B發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管（9013）將光信號(hào)放大后并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機(jī)的算法處理這些信號(hào)后，確定點(diǎn)光源的位置，控制云臺(tái)自動(dòng)跟蹤光信號(hào)；由溫度傳感器（ds18b20）檢測(cè)B端溫度經(jīng)無(wú)線收發(fā)芯片（nRF905）實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖二、理論分析與計(jì)算檢測(cè)光照強(qiáng)度電路的設(shè)計(jì)ABCDE激光筆圖2探頭設(shè)計(jì)如圖2所示，其中A、B、C、D、E是五個(gè)同一型號(hào)的光敏三極管，在光照相同的情況下，他們的感光性能相當(dāng)。通過(guò)以E號(hào)光敏三極管為中心，A、C以BD直線對(duì)稱，B、D以AC直線對(duì)稱。當(dāng)探頭正對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源時(shí)，E號(hào)光敏三極管感受到的光強(qiáng)最強(qiáng)，激光筆發(fā)出的激光正好對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源。當(dāng)偏離探頭沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源時(shí)，這樣就導(dǎo)致A、B、C、D其中某一個(gè)三極管感受到的光強(qiáng)比E號(hào)強(qiáng)；在水平方向，通過(guò)判斷B、D中哪一個(gè)光強(qiáng)比E號(hào)的強(qiáng)來(lái)調(diào)整控制水平方向方位步進(jìn)電機(jī)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來(lái)確保E號(hào)始終正對(duì)點(diǎn)光源；在豎直方向，通過(guò)判斷A、C中哪一個(gè)光強(qiáng)比E號(hào)的強(qiáng)來(lái)調(diào)整控制豎直方向方位步進(jìn)電機(jī)向受光照強(qiáng)度大的那個(gè)光敏三極管旋轉(zhuǎn)來(lái)確保E號(hào)始終置中。三、電路及程序設(shè)計(jì)1、電路設(shè)計(jì)1）信號(hào)采集模塊3DU33采集到光信號(hào)后，使整個(gè)電路導(dǎo)通，再通過(guò)三極管將微弱的電流信號(hào)放大，從而使單片機(jī)能夠更好的處理信號(hào)。圖中的R1為偏置電阻，可以調(diào)節(jié)工作點(diǎn)及穩(wěn)定電路。3DU33,在正常室內(nèi)光照下，電流為微安級(jí)，故需選擇合適的偏置電阻，放大后再送至A/D。信號(hào)采集模塊電路如圖3所示。圖3信號(hào)采集模塊電路2）溫度傳感器模塊ds18b20上電工作后，開(kāi)始讀取環(huán)境溫度。電路如圖4所示。圖4溫度傳感器模塊電路圖2、程序設(shè)計(jì)圖5A端系統(tǒng)總體程序流程圖圖6B端系統(tǒng)總體程序流程圖圖7點(diǎn)光源定位跟蹤程序圖圖8nRF905發(fā)送程序圖圖9nRF905接收程序圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試條件：點(diǎn)光源我們選擇的是普通的200W的白熾燈，將溫度傳感器DS18B20放在靠近燈座的地方檢測(cè)溫度。在跟蹤的時(shí)候我們是在室內(nèi)的光線較暗的情況下去實(shí)現(xiàn)跟蹤。測(cè)試方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄1激光筆不指向點(diǎn)光源，啟動(dòng)追蹤，觀察激光筆能否指向點(diǎn)光源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表一。表一當(dāng)激光筆背向點(diǎn)光源不同角度時(shí)，測(cè)試激光筆追蹤到點(diǎn)光源的時(shí)間。角度（）3060120180時(shí)間（s）102241572.當(dāng)激光筆指向點(diǎn)光源時(shí)，將激光筆光點(diǎn)調(diào)偏離點(diǎn)光源中心30cm時(shí)，觀察激光筆能否重新指向點(diǎn)光源，若能則記錄時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：能，13s。3.當(dāng)激光筆基本對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源時(shí)，以工作云臺(tái)為中心將激光筆平穩(wěn)轉(zhuǎn)離中心20度，觀察并記錄激光筆跟蹤到點(diǎn)光源的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：19s。4在激光筆基本對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)光源時(shí)，將點(diǎn)光源支架沿直線LM平緩移動(dòng)60Cm，觀察激光筆能否連續(xù)跟蹤并指向光源，若能則記錄時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：能，27s。5.關(guān)掉點(diǎn)光源