基于红外线的目标跟踪与无线测温系统报告

1、基于红外的目标跟踪与无限测温系统基于红外线的目标跟踪与无线测温系统所在院系：电控学院 作 者：卫 莱 程庆宇 胡阿敏 2013-8-10基于红外线的目标跟踪与无线测温系统摘 要本系统以MSP430F149为控制核心，设计制作红外线自动跟踪和无线测温系统。该系统主要由两部分构成，红外线目标跟踪部分和无线测温与传输部分。红外线检测控制是本系统重点设计部分，它主要由单片机，步电动机，以及红外接收管等元件组成，单片机作为控制中心；200W白炽灯模拟热源，无线测温部分能实时显示模拟热源的温度。本系统能较好的完成了题目中的全部要求。关键词：MSP430F149；红外跟踪；无线测温；无线通信1 引 言随着科

2、技的日新月异，无线系统已经普及到世界的各个角落，无线通信的应用也早已问世，设计一个无线系统应用到现实生活中显得尤为重要。此系统可以实现多种功能，包括定位，测温等功能。控制系统随目标物位置的不同利用红外传感器确定其位置并用温度传感器测得周围温度再用无线模块发送给控制系统最后显示在液晶屏上。在智能化、信息化的当今社会，设计这样的无线系统给人们带来无限的便捷。2 总体方案设计与论2.1 总体方案描述题目要求设计并制作一个能够检测红外源位置和无线测温的系统，系统分为红外源检测控制和无线测温部分。红外源检测控制部分主要负责红外源的检测以及激光笔的控制，为本系统的设计重点，该部分的设计的好坏直接影响到整个

3、系统的性能；无线测温部分主要是测量模拟热源的温度并采用无线方式发送给红外源检测部分。具体框图如图2-1所示。激光笔MSP430F149多路AD下转光敏件上转右转继电器步进电机左转温度检测无线发送无线接收键盘 图2-1 总体设计框图2.2 微处理模块的比较与论争根据题目要求，控制器的选择有以下三种方案。方案一：采用AT89C52单片机，单片机模拟产生PWM，通过H桥及专用的驱动芯片。如：L298N驱动直流风扇，角度信号通过专用的数字芯片、光电编码器、旋转变压器、机械式角度传感器等，实现角度测量。再配以LCD屏、数码管、TFT屏、点阵屏等实现控制信息以及数字信息的显示。由于普通单片机功能有限，因此

4、在使用时外围电路较复杂，所以在较短时间实现与完成稳定性、可靠性较差。 方案二：红外目标跟踪与无限测温系统采用以ARM为系统控制器采用32位RISC微处理器ARM实现调节装置和风扇控制功能的核心，能完成研究题目的要求，但是ARM不适合多线程操作，另外应用在系统中会使电路和软件设计变得复杂。方案三：用MSP430F149做控制芯片，MSP430F149是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机,它体积小，功能齐全,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右),可靠性能好,适用于精确控制。在此系统中，采用MSP4

5、30F149单片机作为控制比采用ARM及AT89C52更实用实用。基于综合性价比，确定选择方案三。2.3 红外源检测控制部分方案论证 要想实现红外源的跟踪，红外源检测控制部分主要有三个任务：光敏器件的选取电机控制策略和无线接收与发送。光敏器件主要起识别红外源的作用，电机控制目的就是使电机转动。只有能够较好的完成这两个任务，才能实现点光源的精确跟踪，无线接收部分主要接收传输的温度数据。2.3.1 光敏器件的选取方案一：光敏电阻。光敏电阻是一种光电导器件，随着光照强度的增大，它的阻值相应减小。所以光敏电阻常用作光电传感器，把光信号转换成电信号。但由于它对相对较长距离光照强度的变化不是很敏感，而且容

6、易受到外界光照的 干扰。方案二：红外接受管。红外接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，更容易对目标定位。综上所述：选用方案二。2.3.2 电机控制策略方案一：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。方案二：步进电机，采用两个步进电机一个控制光敏器件和激光笔左右转动，另一个控制光敏器件和激光笔上下转动。步进电机是一种将电脉冲转换成相应的角位移的机电器件，它的转角及转速取决于脉冲信号的数量和频率。由于步进电机只有周期

7、性的误差而无累积误差，所以其可以达到很高的控制精度。综上所述：选方案二。2.3.3 无线收发部分方案论证方案一：NRF905是Nordic VLSI公司推出的一款无线收发芯片。32脚封装，供电电压为1.93.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM频道。可自动处理字头和CRC（循环冗余码校验）。功耗低，高抗干扰GFSK调制，可调频，载波检测输出，地址匹配输出以及数据就绪输出。NRF905适用于遥感、遥测、无线抄表、工业数据采集以及家庭自动化等领域。方案二：采用无线通信模块ZigBee,它是专门为无线传感网络而设计的低成本、低功耗的无线网络和基于一个开放的全球性标准的监控和控制产品，它

8、支持自愈功能的网状网络结构它允许节点通过网络找到新的路径。ZigBee联盟的目标是通过把无线智能和能力融入到日常设备中，为全球范围的消费，商业，工业和政府市场提供了一个基于标准的无线平台，使远程检测的应用得到最优化。综上所述选择方案二。2.4 温度采集部分方案论证方案一：采用DALLAS 公司的 DS18B20 单总线数字传感器，它工作温度是- 55 125,在- 30 85范围内温度测量精度为0.5；具有设置报警功能,用户可以设置最高和最低报警温度, 且设置值掉电不丢失，采用DALLAS 公司所特有的单总线通信协议, 只用一条数据线就可实现与MCU的通信; DLLAS18B20是数字式温度传

9、感器, 可直接与单片机通讯。方案二：采用TI公司的TMP275，该器件的主要特性包括：50A功耗、912 b可编程分辨率、0.1A关机电流模式、整个温度范围内出色的稳定性以及-40+125的广泛工作温度范围。该器件还允许多达8个不同地址，以实现接口总线设计的高灵活性，电路中A0，A1，A2接地用于决定芯片的器件地址。温度传感器TMP275可直接输出数字信号，而无需对采样信号作信号调理和信号的模数转换，可以直接传输给单片机信号处理系统，测温精度05。TMP275两线串行接口(引脚SDL，SDA)与I2C总线接口兼容，可直接与其相连。方案三：选用MSP430G2553内置的温度传感器，功耗低测温范

10、围在要求范围内比较方便且节省了IO资源综上所述选择方案三。2.5 数字显示方案在帆板控制系统中，系统需要对帆板转角、风速等级以及设定角度显示，因此在整个系统中必须设计一个显示模块，考虑有三种方案：方案一：使用七段数码管（LED）显示。数码管具有亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点，并且它可采用BCD编码显示数字，编程容易，硬件电路调试简单。但由于在此次设计中需要设定的参数种类多，而且有些需要进行汉字和字符的显示，所以使用LED显示器不能完成设计任务，不宜采用。方案二：采用LCD12864液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较上面两种方案复杂，显示

11、屏幕大、可对汉字和字符进行显示。方案三：采用3.2寸TFT彩屏。用该彩屏做的人机交互界面作为显示模版显示界面更人性化。根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案三。2.6 键盘模块设计方案在帆板控制系统中，系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定，因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分，考虑有二种方案： 方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，并且各按键相互独立，每个按键均有一端接地，另一端接到输入线上。按键的工作状态不会影响其它按键上的输入状态，易于控制适合较少的控制系统。方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利

12、用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就可组成mn个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。根据上面两种方案的论述，由于本次设计的系统硬件只需要三个按键，所以采用方案一独立键盘进行设计。3 理论分析与计算3.1 红外源跟踪系统的设计A点放置红外源检测系统，B点为红外源和测温部分。测试时，红外源支架以两种方式移动：以A点为中心，为半径的圆周在不大于的范围内移动；此种条件下支架移动的最大距离Lo=，最远的两点距离A点的夹角为120。红外源支架沿半径方向移动，L。3.2 光敏检测器件的布局光敏三极管的布局直接影响到跟踪效果，要想实现对点光源的上下左右跟踪，可以

13、想象光敏器件的布局应该是对称分布，而且光敏器件越多，跟踪效果越好方案一：1、2、3、4是四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。当探头正对准电光源时，1、3号光敏三极管感受到的光强相等，2、4号光敏三极管感受到的光强相等，激光笔发出的激光正好对准点光源。但这样控制1、3的稳定性不太好易偏转引起误差，如图3-1。方案二：1、2、3、4是四个同一型号的光敏三极管，在水平方向，通过判断1、2中哪一个光强强来调整控制水平方向方位云台向受光照强度大的那个光敏三极管旋转来确保1、2感受的光强相等；在竖直方向，通过判断3、4中哪一个光强强来调整控制竖直方向方位步进电机向受光照强度大

14、的那个光敏三极管旋转来确保感受的光强相等，如图3-2。 图 3-1 图 3-2 4 系统硬件、软件的实现4.1 硬件实现4.1.1 微处理器电路本作品采用的MSP430F149最小系统原理图4-1所示。图4-1 微控制器原理图4.1.2 电机驱动电路 4.1.3 Zigbee无线通信电路无线发送接收模块如图4-3图4-3 无线发送接收电路图4.1.4 红外检测电路红外接收管定位电路如图4-4 图4-4 红外检测电路N准确定位Y步进电机采集温度 AD采集按键检测Zigbee发送步进电机 AD采集Zigbee接受定位追踪开始模式选择彩屏显示4.2 程序设计5 测试方案与测试结果5.1 测试仪器本次

15、测试所使用的仪器如表5-1序号名称、型号、规格数量1DT9205数字万用表22WYK-323B2直流稳压稳流电源13直尺1表5-1 测试使用的仪器5.2 测试结果红外源跟踪系统现场设置参数设置的测试记录数据如表5-2白炽灯P=140W 测试次数B端偏离原始位置（m）跟踪时间定位精度11.560s021.260s031.050s040.818s0白炽灯P=150W测试次数B端偏离原始位置(m)跟踪时间定位精度11.550s021.230031.040040.7100表5-2在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周（10秒内）平稳移动30，激光笔能够连续跟踪指向LED点光源。测试结果如表5-3测试次数跟踪时间13.40s26.00s32.00s43.00s表5-3改变白炽灯的亮度时将光源支架沿着以A点为弧线移动60cm，记录跟踪时间。测试数据如表5-4。次数时间16.0s24.0s35.0s46.0s(2)P=150W次数时间16.0s25.0s36.0s45.0s表5-4当准确定位后，液晶显示热源实时的温度，测试结果如表5-5次数温度（）146.68247.18347.68448.18表5-5参考文献1 高卫东等.AD9850 DDS芯片信号源的研制J.实验室研究与