基于紅外線的目標跟蹤與無線測溫系統(tǒng)報告摘要：本裝置是采用STM32F103ZE為控制核心的基于紅外線的目標跟蹤與無線測溫系統(tǒng)，它能準確的在工作空間內(nèi)實現(xiàn)跟蹤儀A對白熾燈模擬熱源B的自動搜索與實時定位。完成定位后A端能實現(xiàn)聲提示并向B下達溫度傳送指令，再定時接收存儲由B端送來的溫度數(shù)據(jù)及繪制溫度曲線。設(shè)計中，由光敏三極管（3DU33）組成的傳感器陣列檢測B發(fā)出的光信號，經(jīng)過三極管（9013）將光信號放大后并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過單片機處理這些信號后，確定點光源的位置，從而實現(xiàn)云臺自動跟蹤光信號；由溫度傳感器（ds18b20）檢測B端溫度經(jīng)無線收發(fā)芯片（nRF905）實現(xiàn)無線傳輸。一、系統(tǒng)方案1、方案比較與選擇1）信號采集元件的選擇方案一：利用光敏電阻在不同光照強度下電阻阻值隨光照強度的增強而減小的原理來提取信號。光敏電阻比較穩(wěn)定，能夠很好的把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺医?jīng)濟適用；但其反應不夠靈敏，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。當遇到外界光照時，光敏電阻內(nèi)PN結(jié)的電子和空穴會增多從而其值會下降。它感光性能良好，穩(wěn)定而且反應速度快；但是其電流值太小，不便于信號的提取，后級需要很大的信號放大，這樣就導致誤差增大。方案三：使用光敏三極管作為信號提取元件。光敏三級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；如果仍不能達到要求可以使用達林頓光敏三極管來放大電流。綜合考慮上述三種方案，我們最終選擇方案三。2）控制電機的選擇電機布局：在圓形基架的兩條對稱軸線上分別設(shè)置互相垂直的兩根軸XX和YY，其中軸YY與基座轉(zhuǎn)動聯(lián)接，軸XX與工作平臺固聯(lián)并與基架轉(zhuǎn)動聯(lián)接，電機l通過軸XX帶動工作平臺相對基架轉(zhuǎn)動，電機2通過軸YY帶動基架相對基座轉(zhuǎn)動。軸XX采用背對背滾動軸承，有效地減輕了XX軸的剪切力。軸YY采用圓錐滾子軸承，方便地實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動和支撐兩大功用。方案一：直流電機，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，對于本題的定位跟蹤，需要很精確的角度控制，因此沒有采用此方案。方案二：減速步進電機28BYJ-48，步進電機可以采用步進細分技術(shù)來實現(xiàn)精確定位，其正反轉(zhuǎn)及速度控制靈活，但是對于本題要在空間X及Y軸方向上實現(xiàn)定位，就需要搭建步進電機的架構(gòu)來使其在空間定位，手工搭建的平臺由于連接不夠緊密導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此也沒有采用此方案。方案三：云臺控制，云臺的架構(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現(xiàn)相應控制，因此我們選擇了此方案。3）無線傳輸模塊方案一：采用無線紅外遙控發(fā)射/接收系統(tǒng)。運用脈沖寬度編碼（PPM碼）的方式，具有編碼簡單易懂、成本低等特點，但兩個設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)時，中間不能有阻擋物，在傳輸整型數(shù)據(jù)時編碼很容易，但是對于浮點數(shù)，軟件中的數(shù)據(jù)處理就會很復雜，且通訊距離較短，發(fā)送代碼的速度較慢，發(fā)送一個8bit的代碼數(shù)據(jù)最長需要85.5ms（9ms+4.5ms+32*2.25ms）的時間，且容易受干擾，因此它只適用于控制開關(guān)量的場合，而不適用于發(fā)送大容量高速數(shù)據(jù)代碼的場合。方案二：采用nRF905無線射頻收發(fā)器組成無線數(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，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、點光源模塊及信號采集與處理模塊、顯示模塊、人機交互模塊、無線傳輸模塊及溫度傳感器模塊等組成。用STM32F103ZE單片機為控制核心，用光敏三極管（3DU33）組成的傳感器陣列檢測B發(fā)出的光信號，經(jīng)過三極管（9013）將光信號放大后并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機的算法處理這些信號后，確定點光源的位置，控制云臺自動跟蹤光信號；由溫度傳感器（ds18b20）檢測B端溫度經(jīng)無線收發(fā)芯片（nRF905）實現(xiàn)無線傳輸。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖二、理論分析與計算檢測光照強度電路的設(shè)計ABCDE激光筆圖2探頭設(shè)計如圖2所示，其中A、B、C、D、E是五個同一型號的光敏三極管，在光照相同的情況下，他們的感光性能相當。通過以E號光敏三極管為中心，A、C以BD直線對稱，B、D以AC直線對稱。當探頭正對準點光源時，E號光敏三極管感受到的光強最強，激光筆發(fā)出的激光正好對準點光源。當偏離探頭沒有對準點光源時，這樣就導致A、B、C、D其中某一個三極管感受到的光強比E號強；在水平方向，通過判斷B、D中哪一個光強比E號的強來調(diào)整控制水平方向方位步進電機向受光照強度大的那個光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號始終正對點光源；在豎直方向，通過判斷A、C中哪一個光強比E號的強來調(diào)整控制豎直方向方位步進電機向受光照強度大的那個光敏三極管旋轉(zhuǎn)來確保E號始終置中。三、電路及程序設(shè)計1、電路設(shè)計1）信號采集模塊3DU33采集到光信號后，使整個電路導通，再通過三極管將微弱的電流信號放大，從而使單片機能夠更好的處理信號。圖中的R1為偏置電阻，可以調(diào)節(jié)工作點及穩(wěn)定電路。3DU33,在正常室內(nèi)光照下，電流為微安級，故需選擇合適的偏置電阻，放大后再送至A/D。信號采集模塊電路如圖3所示。圖3信號采集模塊電路2）溫度傳感器模塊ds18b20上電工作后，開始讀取環(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、測試方案與測試結(jié)果測試條件：點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溫度。在跟蹤的時候我們是在室內(nèi)的光線較暗的情況下去實現(xiàn)跟蹤。測試方案及實驗結(jié)果記錄1激光筆不指向點光源，啟動追蹤，觀察激光筆能否指向點光源。實驗結(jié)果記錄如表一。表一當激光筆背向點光源不同角度時，測試激光筆追蹤到點光源的時間。角度（）3060120180時間（s）102241572.當激光筆指向點光源時，將激光筆光點調(diào)偏離點光源中心30cm時，觀察激光筆能否重新指向點光源，若能則記錄時間。實驗結(jié)果：能，13s。3.當激光筆基本對準點光源時，以工作云臺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光源的時間。實驗結(jié)果：19s。4在激光筆基本對準點光源時，將點光源支架沿直線LM平緩移動60Cm，觀察激光筆能否連續(xù)跟蹤并指向光源，若能則記錄時間。實驗結(jié)果：能，27s。5.關(guān)掉點光源