基于STM32F103ZE的红外线的目标跟踪与无线测温系统(最后报告).doc

基于红外线的目标跟踪与无线测温系统报告摘要：本装置是采用STM32F103ZE为控制核心的基于红外线的目标跟踪与无线测温系统，它能准确的在工作空间内实现跟踪仪A对白炽灯模拟热源B的自动搜索与实时定位。完成定位后A端能实现声提示并向B下达温度传送指令，再定时接收存储由B端送来的温度数据及绘制温度曲线。设计中，由光敏三极管（3DU33）组成的传感器阵列检测B发出的光信号，经过三极管（9013）将光信号放大后并经A/D模数转换，然后通过单片机处理这些信号后，确定点光源的位置，从而实现云台自动跟踪光信号；由温度传感器（ds18b20）检测B端温度经无线收发芯片（nRF905）实现无线传输。一、系统方案1、方案比较与选择1）信号采集元件的选择方案一：利用光敏电阻在不同光照强度下电阻阻值随光照强度的增强而减小的原理来提取信号。光敏电阻比较稳定，能够很好的把光信号转变为电信号，而且经济适用；但其反应不够灵敏，而且受周围环境温度的影响比较大。方案二：使用光敏二极管作为采光原件。当遇到外界光照时，光敏电阻内PN结的电子和空穴会增多从而其值会下降。它感光性能良好，稳定而且反应速度快；但是其电流值太小，不便于信号的提取，后级需要很大的信号放大，这样就导致误差增大。方案三：使用光敏三极管作为信号提取元件。光敏三级管不仅采光性能灵敏稳定，而且其本身就具备电流放大作用；如果仍不能达到要求可以使用达林顿光敏三极管来放大电流。综合考虑上述三种方案，我们最终选择方案三。2）控制电机的选择电机布局：在圆形基架的两条对称轴线上分别设置互相垂直的两根轴XX和YY，其中轴YY与基座转动联接，轴XX与工作平台固联并与基架转动联接，电机l通过轴XX带动工作平台相对基架转动，电机2通过轴YY带动基架相对基座转动。轴XX采用背对背滚动轴承，有效地减轻了XX轴的剪切力。轴YY采用圆锥滚子轴承，方便地实现了转动和支撑两大功用。方案一：直流电机，其调速控制很方便，但是旋转角度及正反转不好控制，对于本题的定位跟踪，需要很精确的角度控制，因此没有采用此方案。方案二：减速步进电机28BYJ-48，步进电机可以采用步进细分技术来实现精确定位，其正反转及速度控制灵活，但是对于本题要在空间X及Y轴方向上实现定位，就需要搭建步进电机的架构来使其在空间定位，手工搭建的平台由于连接不够紧密导致系统不稳定，因此也没有采用此方案。方案三：云台控制，云台的架构已经搭好，且正反转控制灵活，控制电路已经在内部做好，只需让继电器切换就可以实现相应控制，因此我们选择了此方案。3）无线传输模块方案一：采用无线红外遥控发射/接收系统。运用脉冲宽度编码（PPM码）的方式，具有编码简单易懂、成本低等特点，但两个设备间传输数据时，中间不能有阻挡物，在传输整型数据时编码很容易，但是对于浮点数，软件中的数据处理就会很复杂，且通讯距离较短，发送代码的速度较慢，发送一个8bit的代码数据最长需要85.5ms（9ms+4.5ms+32*2.25ms）的时间，且容易受干扰，因此它只适用于控制开关量的场合，而不适用于发送大容量高速数据代码的场合。方案二：采用nRF905无线射频收发器组成无线数据传输系统。nRF905集成度高，工作频率稳定可靠，外围元器件少，抗干扰能力强，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，功耗非常低。故选此方案。2、系统方案描述本系统主要由主控制器模块、点光源模块及信号采集与处理模块、显示模块、人机交互模块、无线传输模块及温度传感器模块等组成。用STM32F103ZE单片机为控制核心，用光敏三极管（3DU33）组成的传感器阵列检测B发出的光信号，经过三极管（9013）将光信号放大后并经A/D模数转换，然后经单片机的算法处理这些信号后，确定点光源的位置，控制云台自动跟踪光信号；由温度传感器（ds18b20）检测B端温度经无线收发芯片（nRF905）实现无线传输。系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图二、理论分析与计算检测光照强度电路的设计ABCDE激光笔图2探头设计如图2所示，其中A、B、C、D、E是五个同一型号的光敏三极管，在光照相同的情况下，他们的感光性能相当。通过以E号光敏三极管为中心，A、C以BD直线对称，B、D以AC直线对称。当探头正对准点光源时，E号光敏三极管感受到的光强最强，激光笔发出的激光正好对准点光源。当偏离探头没有对准点光源时，这样就导致A、B、C、D其中某一个三极管感受到的光强比E号强；在水平方向，通过判断B、D中哪一个光强比E号的强来调整控制水平方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终正对点光源；在竖直方向，通过判断A、C中哪一个光强比E号的强来调整控制竖直方向方位步进电机向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保E号始终置中。三、电路及程序设计1、电路设计1）信号采集模块3DU33采集到光信号后，使整个电路导通，再通过三极管将微弱的电流信号放大，从而使单片机能够更好的处理信号。图中的R1为偏置电阻，可以调节工作点及稳定电路。3DU33,在正常室内光照下，电流为微安级，故需选择合适的偏置电阻，放大后再送至A/D。信号采集模块电路如图3所示。图3信号采集模块电路2）温度传感器模块ds18b20上电工作后，开始读取环境温度。电路如图4所示。图4温度传感器模块电路图2、程序设计图5A端系统总体程序流程图图6B端系统总体程序流程图图7点光源定位跟踪程序图图8nRF905发送程序图图9nRF905接收程序图四、测试方案与测试结果测试条件：点光源我们选择的是普通的200W的白炽灯，将温度传感器DS18B20放在靠近灯座的地方检测温度。在跟踪的时候我们是在室内的光线较暗的情况下去实现跟踪。测试方案及实验结果记录1激光笔不指向点光源，启动追踪，观察激光笔能否指向点光源。实验结果记录如表一。表一当激光笔背向点光源不同角度时，测试激光笔追踪到点光源的时间。角度（°）3060120180时间（s）102241572.当激光笔指向点光源时，将激光笔光点调偏离点光源中心30cm时，观察激光笔能否重新指向点光源，若能则记录时间。实验结果：能，13s。3.当激光笔基本对准点光源时，以工作云台为中心将激光笔平稳转离中心20度，观察并记录激光笔跟踪到点光源的时间。实验结果：19s。4在激光笔基本对准点光源时，将点光源支架沿直线LM平缓移动60Cm，观察激光笔能否连续跟踪并指向光源，若能则记录时间。实验结果：能，27s。5.关掉点光源B，A跟踪达到极限位置时是否能自动停止。当目标B失踪时，A端是否具有目标丢失显示功能。实验结果：是，是。结果分析：采用光敏三极管3DU33组成的传感器阵列检测点光源发出的光信号，经过算法补偿，能快速准确跟踪点光源，偏离误差小于两厘米。实现了基本部分的要求，能实现发挥部分的后三项。