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[摘 要]本文介紹一种利用可见光在室内进行定位的方法与装置。LED灯可以将电能转化为光能，具有效率高、绿色环保、响应灵敏度高、使用寿命长等特点，是可见光源的最佳选择。STC12C5A60S2具有高速、低功耗、强抗干扰的性能，作为数据处理和控制的核心，能够进行光照强度、A/D转换，以及输入/输出的模拟量的采集。LED灯闪烁频率太快，通过人眼是无法察觉到，但光敏电阻器可以接收到这些微小变化的信息。本文通过光敏电阻采集LED灯照射地面上点的光强信号，这些电信号通过A/D转换器转换成数字信号存储起来，为后期判断传感器的位置提供依据。
[关键词]光敏电阻器；STC12C5A60S2单片机；LED；A/D转换器
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0392-03
1引言
近年来无线通信技术得到了迅速发展，人们在生活中对无线定位服务的需求增多[1]。目前运用最多的定位系统是GPS全球定位系统，但GPS导航定位系统室内信号弱，导致GPS的使用受到一定的限制[2， 3]。目前有很多的室内导航系统，WIFI定位系统，其定位算法主要有三种，分别为三边定位、双曲线定位、最小二乘法，WIFI定位系统定位精度在3米左右，但会存在误差，以及其他信号的干扰，从而影响到它的精度，定位器的能源消耗也比较大[4]；蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术，对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性比较差，容易受到噪声信号的干扰；超宽带技术具有穿透力强、功耗低、安全性高，但仅用于室内移动物体的定位跟踪或导航；RFID定位技术可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大，RFID不便于整合到移动设备之中，不便于国际标准化；ZigBee的低功耗和低成本，但只能进行短距离使用[5]。
LED光源导航具备一些其他室内导航系统所没有的优势，比如具有功率的损耗小、使用寿命周期长、空间利用率高、定位精度高、成本低等优点，而且它还把照明与通信集于一体。（参考文献）
2系统构成
本装置主要由四个模块组成，分别是控制模块、检测模块、驱动模块和电源模块，下面分别对各个模块展开叙述[6]。
2.1控制模块
本文采用STC12C5A60S2型MCU，这是传统51单片机加强版，具有高速、低功耗和抗干扰能力强的特点[7]，其结构与编程原理与传统的基本一致；相对于STC89C52RC型MCU，其I/O数增多，同时具备两个AD/DA转换口，此外，其内存扩大到64k，内置eEProm，运行速度也大幅增加，外设更加丰富[8]。因此，可为各模块的控制提供更多资源和空间[9]。
2.2检测模块
本文采用光敏电阻进行检测。经万用表测量光敏电阻，了解到光敏电阻阻值与光强成反比[10]，即光线强度的变化会引起了光敏电阻阻值的变化[11]。通过检测当时环境下的光线强弱，来判断传感器与三个发光二极管的远近程度，以此来完成定位。
2.3驱动模块
首先给定一个方波信号，经过双运算放大器LM258，与2.5v电压进行比较积分，形成三角波，以此作为载波[12]；其次经过滤波和积分的音频信号通过电压比较器LM239D进行比较，得到调制后的PWM波；接着通过与门开关和给定一个低电平信号进行或非门产生对应频率的光电信号，导通NPN三极管，进行信号还原，从而驱动LED灯。
2.4电源模块
将降压电路通过二极管，单向导通，获得12V电压[13]。经过滤波电路后，使其电压更加平稳，再经过KIA7805A三端稳压管，得到5V电压，再次经过滤波，最后经过电阻串联分压得到2.5V电压。KIA7805A三端稳压管比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多。
3系统理论分析与计算
3.1 定位方法
LED 灯发出高速亮暗的闪烁信号来传输信息，其发射出来的信号能分别在X轴和Y轴上形成等值线，要是只依据在X轴上的等值线或者只依据Y轴上的等值线并不能确定其位置；只有将X轴上的等值线和Y轴上的等值线进行叠加，才能确定其在底部平面上的确定位置。
3.2 信息发送接收方法
利用LED灯发出高速明暗交替闪烁的信号来传递信息，通过检测由X轴LED的脉冲和Y轴LED的脉冲一起叠加的下降沿，利用其下降沿触发中断，检测其用时多久，如图1所示。此低电平可以用来区分下一段触发的是X轴LED，还是Y轴的LED。如果此段为X轴LED，即为X轴坐标，那么下一段即为Y轴LED，即Y轴坐标，X坐标和Y轴坐标可确定唯一的点。由接收端的光敏传感器等装备获取信号，并将此获取到的光信号转变为电信号；然后再通过A/D转换器，将电信号转换成数字信号，使LED 光信息转换成数字信号[14]，即为光敏电阻的坐标位置，最后对解调出的数据存储。
3.3 抗干扰方法
3.3.1自然光补偿
将LED电流设定值ISET减去实际值ILED，对打开过程中的差值进行积分，同时PWM信号切换为断开状态之后，释放其误差产生的累积量，同时延长伸展到PWM打开运作的时间，以此来弥补环路状态切换过程中LED损失的画面的明亮程度，最终获得准确调光补偿效果[15]。
3.3.2滤波电路
滤波电路图如图2所示；电路中的电抗元件具有储存电能的能力，当电源供电给并联的电容器的电压高于电容器电压时，其就开始储存一部分的能量；当电源供给并联的电容器的电压低于电容器电压时，之前存储的能量会适当放出补充电路电压，这样使负载电压在运行过程中更加的稳定[16]。
3.3.3环境处理
将实验箱内部都喷成黑色，底部也用黑色卡纸进行标定。因黑色可吸收光谱内所有的可见光，使传感器所感受到的光照强度都来源于LED灯，避免受到来自实验箱壁反射来的光信号和LED光源直射光信号叠加，产生不必要的等光强点。此方法通过处理环境从而减少不必要的影响因数[17]。 3.3.4程序滤波
在采集光照数据时，由于光照强度的变化是一个慢变过程，所以可以使用中值滤波算法来获取数据。我们主要采用的是冒泡排序法对得到的数据进行排序，还算法可以有效的剔除因为偶然因素产生的误差和设备不稳定引发的脉动干扰[18]。
3.4 误差分析
根据位置绝对误差公式：
式中x 、y为测得坐标值，x0、y0为实际坐标值。
将测得的数据和实际坐标进行比较，求得绝对值坐标，该误差可用于电路调试时作为程序微调和环境补偿参照对象。
4电路与程序设计
4.1电路的設计
4.1.1系统总体框图
系统总体框架如图3所示，由降压模块、单片机、键盘模块、显示模块及白光五个部分组成[19]。
4.1.2 降压模块设计
稳压电源电路如图4所示。
4.2程序的设计
4.2.1程序功能描述与设计思路
程序设计主要为了实现键盘设置和显示屏显示、LED驱动、信号接收与处理；键盘实现功能是启动发送和输入阿拉伯数字，显示屏显示位置坐标值和区域。
4.2.2程序流程图
图5为主程序流程图，图6为读取位置子程序流程图，图7为 A/D数据采集子程序流程图。
5测试方案设计
5.1测试方案
1）硬件测试
采用数字万用表和逻辑测试仪对电路板连接情况测试。
2）系统软件调试
滞后消除键的抖动，换言之一旦有键按下去，就会延时10ms 之后再次测试按键的表现形态。如此一来就能够有效的防止按键产生抖动时间段内，使得CPU 能够进入到读取按键的状态[20]。
3）软件仿真测试
首先是单片机产生x、y轴信号，然后x轴信号和y轴信号经过或门运算后产生第三个信号，最后用示波器显示出来。
4）硬件软件联调
将程序固化于STC12C5A60S2单片机的ROM中，将系统安装在木箱上并采用干电池供电进行脱机调试，进一步完善硬件、软件功能，以便得到最佳的运行效果。
5.2 测试条件与仪器
可见光室内定位测试装置其构成示意图如图8所示大小为80cm×80cm×80cm的立方体空间。顶部平面放置3个白光的LED灯，由LED 控制电路进行控制和驱动；底部平面绘制纵横坐标线，并分为 A、B、C、D、E五个区域，如图9所示。在3个LED 正常照明的情况下，测量电路根据传感器检测的信号判定传感器的位置。
在开始测试试验前，整个电路进行反复检查，仿真电路与硬件电路确保与系统原理图完全一致，硬件电路确保没有虚焊[21]。单片机显示的脉冲数等于低电平长度[22]。
使用的测试仪器包括高精度数字毫伏表、数字示波器、数字万用表、逻辑测试仪[23]。
6总结
6.1测试结果
6.2结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
1）所有的测试过程严格按照要求来进行，测试结果与标准值之间存在一定的误差，但误差在可变动范围内，而且测量的数据具有可重复性。
2）在LED 正常照明的情况下，测量电路能根据传感器检测的信号可以找出传感器的位置。
参考文献
[1]彭宇倩. 基于Zigbee室内定位的智能导游系统研究[D]. 广东工业大学， 2014.
[2]李勇. GPS全球卫星定位导航系统的发展与应用[J]. 电脑知识与技术， 2007，3（18）：1640-1641.
[3]边力军. GPS全球定位系统的原理及应用[J]. 电信工程技术与标准化， 1998（1）：25-29.
[4]王阳， 叶芝慧， 冯奇， 等. 基于 Android 的室内 WiFi 定位系统设计与实现[J]. 电子测量技术， 2016，39（9）：16-19.
[5]朱永龙. 基于UWB的室内定位算法研究与应用[D]. 山东大学， 2014.
[6]王宁， 段卓琳， 周叶. 基于自由摆的平板控制系统[J]. 电气技术， 2012，18（4）：87-88.
[7]陈全. 基于51单片机的智能火灾报警器的设计[J]. 电子制作， 2017（23）：25-28.
[8]林倩， 严桂林. 基于STC12C5A60S2单片机的SD卡读写[J]. 电子元器件应用， 2010（4）：1-3.
[9]曹颖超. SAP R/3系统模块功能介绍[J]. 计算机光盘软件与应用， 2010（8）：59.
[10]乔延芳， 张继良. 光敏电阻的阻值与光强度的“定量”关系实验设计[J]. 实验教学与仪器， 2015（1）：31-32.
[11]宋吉江， 牛轶霞， 王勇. 光敏电阻的特性[J]. 电世界， 2000（5）：44-45.
[12]刘艳， 王荣， 陈杰. 电工电子实验指导书[M]. 南京大学出版社， 2014.
[13]甘行建. 用双向可控硅改进空压机断水保护电路[J]. 煤矿机电， 1990（1）：38.
[14]闫秦. 风暴潮水位现场实时观测系统研究[D]. 国家海洋技术中心， 2016.
[15]吴传奎， 张竹贤， 王鑫， 等. LLC模式LED驱动的精确调光补偿算法及实现[J]. 微电子学， 2013，43（5）：611-614.
[16]徐浩展. 简易测谎仪的设计与制作[J]. 中国科技投资， 2016（34）.
[17]宋鹤. 冲击电压下纳米改性液体电介质中空间电荷时空分布特性研究[D]. 重庆大学， 2016.
[18]任克强， 刘晖. 微机控制系统的数字滤波算法[J]. 现代电子技术， 2003（3）：15-18.
[19]贺廉云. 基于单片机的智能温控风扇设计[J]. 智能计算机与应用， 2016，6（5）：105-106.
[20]陈晓丽. 按键的多种状态检测及消抖处理方法[J]. 家电科技， 2013（4）：68-70.
[21]闫昊昱， 梁宝通， 宋宇飞， 等. 金属物体探测定位器[J]. 电子制作， 2014（13）：16.
[22]朱超， 孙万麟， 宋莉莉. 基于单片机的脉冲数据采集电路设计[J]. 电子设计工程， 2015，23（4）：158-160.
[23]张斌. 高精度数字万用表恒流源和交流测量电路设计[J]. 电子世界， 2017（9）：186.
[关键词]光敏电阻器；STC12C5A60S2单片机；LED；A/D转换器
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0392-03
1引言
近年来无线通信技术得到了迅速发展，人们在生活中对无线定位服务的需求增多[1]。目前运用最多的定位系统是GPS全球定位系统，但GPS导航定位系统室内信号弱，导致GPS的使用受到一定的限制[2， 3]。目前有很多的室内导航系统，WIFI定位系统，其定位算法主要有三种，分别为三边定位、双曲线定位、最小二乘法，WIFI定位系统定位精度在3米左右，但会存在误差，以及其他信号的干扰，从而影响到它的精度，定位器的能源消耗也比较大[4]；蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术，对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性比较差，容易受到噪声信号的干扰；超宽带技术具有穿透力强、功耗低、安全性高，但仅用于室内移动物体的定位跟踪或导航；RFID定位技术可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大，RFID不便于整合到移动设备之中，不便于国际标准化；ZigBee的低功耗和低成本，但只能进行短距离使用[5]。
LED光源导航具备一些其他室内导航系统所没有的优势，比如具有功率的损耗小、使用寿命周期长、空间利用率高、定位精度高、成本低等优点，而且它还把照明与通信集于一体。（参考文献）
2系统构成
本装置主要由四个模块组成，分别是控制模块、检测模块、驱动模块和电源模块，下面分别对各个模块展开叙述[6]。
2.1控制模块
本文采用STC12C5A60S2型MCU，这是传统51单片机加强版，具有高速、低功耗和抗干扰能力强的特点[7]，其结构与编程原理与传统的基本一致；相对于STC89C52RC型MCU，其I/O数增多，同时具备两个AD/DA转换口，此外，其内存扩大到64k，内置eEProm，运行速度也大幅增加，外设更加丰富[8]。因此，可为各模块的控制提供更多资源和空间[9]。
2.2检测模块
本文采用光敏电阻进行检测。经万用表测量光敏电阻，了解到光敏电阻阻值与光强成反比[10]，即光线强度的变化会引起了光敏电阻阻值的变化[11]。通过检测当时环境下的光线强弱，来判断传感器与三个发光二极管的远近程度，以此来完成定位。
2.3驱动模块
首先给定一个方波信号，经过双运算放大器LM258，与2.5v电压进行比较积分，形成三角波，以此作为载波[12]；其次经过滤波和积分的音频信号通过电压比较器LM239D进行比较，得到调制后的PWM波；接着通过与门开关和给定一个低电平信号进行或非门产生对应频率的光电信号，导通NPN三极管，进行信号还原，从而驱动LED灯。
2.4电源模块
将降压电路通过二极管，单向导通，获得12V电压[13]。经过滤波电路后，使其电压更加平稳，再经过KIA7805A三端稳压管，得到5V电压，再次经过滤波，最后经过电阻串联分压得到2.5V电压。KIA7805A三端稳压管比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多。
3系统理论分析与计算
3.1 定位方法
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3.2 信息发送接收方法
利用LED灯发出高速明暗交替闪烁的信号来传递信息，通过检测由X轴LED的脉冲和Y轴LED的脉冲一起叠加的下降沿，利用其下降沿触发中断，检测其用时多久，如图1所示。此低电平可以用来区分下一段触发的是X轴LED，还是Y轴的LED。如果此段为X轴LED，即为X轴坐标，那么下一段即为Y轴LED，即Y轴坐标，X坐标和Y轴坐标可确定唯一的点。由接收端的光敏传感器等装备获取信号，并将此获取到的光信号转变为电信号；然后再通过A/D转换器，将电信号转换成数字信号，使LED 光信息转换成数字信号[14]，即为光敏电阻的坐标位置，最后对解调出的数据存储。
3.3 抗干扰方法
3.3.1自然光补偿
将LED电流设定值ISET减去实际值ILED，对打开过程中的差值进行积分，同时PWM信号切换为断开状态之后，释放其误差产生的累积量，同时延长伸展到PWM打开运作的时间，以此来弥补环路状态切换过程中LED损失的画面的明亮程度，最终获得准确调光补偿效果[15]。
3.3.2滤波电路
滤波电路图如图2所示；电路中的电抗元件具有储存电能的能力，当电源供电给并联的电容器的电压高于电容器电压时，其就开始储存一部分的能量；当电源供给并联的电容器的电压低于电容器电压时，之前存储的能量会适当放出补充电路电压，这样使负载电压在运行过程中更加的稳定[16]。
3.3.3环境处理
将实验箱内部都喷成黑色，底部也用黑色卡纸进行标定。因黑色可吸收光谱内所有的可见光，使传感器所感受到的光照强度都来源于LED灯，避免受到来自实验箱壁反射来的光信号和LED光源直射光信号叠加，产生不必要的等光强点。此方法通过处理环境从而减少不必要的影响因数[17]。 3.3.4程序滤波
在采集光照数据时，由于光照强度的变化是一个慢变过程，所以可以使用中值滤波算法来获取数据。我们主要采用的是冒泡排序法对得到的数据进行排序，还算法可以有效的剔除因为偶然因素产生的误差和设备不稳定引发的脉动干扰[18]。
3.4 误差分析
根据位置绝对误差公式：
式中x 、y为测得坐标值，x0、y0为实际坐标值。
将测得的数据和实际坐标进行比较，求得绝对值坐标，该误差可用于电路调试时作为程序微调和环境补偿参照对象。
4电路与程序设计
4.1电路的設计
4.1.1系统总体框图
系统总体框架如图3所示，由降压模块、单片机、键盘模块、显示模块及白光五个部分组成[19]。
4.1.2 降压模块设计
稳压电源电路如图4所示。
4.2程序的设计
4.2.1程序功能描述与设计思路
程序设计主要为了实现键盘设置和显示屏显示、LED驱动、信号接收与处理；键盘实现功能是启动发送和输入阿拉伯数字，显示屏显示位置坐标值和区域。
4.2.2程序流程图
图5为主程序流程图，图6为读取位置子程序流程图，图7为 A/D数据采集子程序流程图。
5测试方案设计
5.1测试方案
1）硬件测试
采用数字万用表和逻辑测试仪对电路板连接情况测试。
2）系统软件调试
滞后消除键的抖动，换言之一旦有键按下去，就会延时10ms 之后再次测试按键的表现形态。如此一来就能够有效的防止按键产生抖动时间段内，使得CPU 能够进入到读取按键的状态[20]。
3）软件仿真测试
首先是单片机产生x、y轴信号，然后x轴信号和y轴信号经过或门运算后产生第三个信号，最后用示波器显示出来。
4）硬件软件联调
将程序固化于STC12C5A60S2单片机的ROM中，将系统安装在木箱上并采用干电池供电进行脱机调试，进一步完善硬件、软件功能，以便得到最佳的运行效果。
5.2 测试条件与仪器
可见光室内定位测试装置其构成示意图如图8所示大小为80cm×80cm×80cm的立方体空间。顶部平面放置3个白光的LED灯，由LED 控制电路进行控制和驱动；底部平面绘制纵横坐标线，并分为 A、B、C、D、E五个区域，如图9所示。在3个LED 正常照明的情况下，测量电路根据传感器检测的信号判定传感器的位置。
在开始测试试验前，整个电路进行反复检查，仿真电路与硬件电路确保与系统原理图完全一致，硬件电路确保没有虚焊[21]。单片机显示的脉冲数等于低电平长度[22]。
使用的测试仪器包括高精度数字毫伏表、数字示波器、数字万用表、逻辑测试仪[23]。
6总结
6.1测试结果
6.2结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
1）所有的测试过程严格按照要求来进行，测试结果与标准值之间存在一定的误差，但误差在可变动范围内，而且测量的数据具有可重复性。
2）在LED 正常照明的情况下，测量电路能根据传感器检测的信号可以找出传感器的位置。
参考文献
[1]彭宇倩. 基于Zigbee室内定位的智能导游系统研究[D]. 广东工业大学， 2014.
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[4]王阳， 叶芝慧， 冯奇， 等. 基于 Android 的室内 WiFi 定位系统设计与实现[J]. 电子测量技术， 2016，39（9）：16-19.
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[12]刘艳， 王荣， 陈杰. 电工电子实验指导书[M]. 南京大学出版社， 2014.
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[21]闫昊昱， 梁宝通， 宋宇飞， 等. 金属物体探测定位器[J]. 电子制作， 2014（13）：16.
[22]朱超， 孙万麟， 宋莉莉. 基于单片机的脉冲数据采集电路设计[J]. 电子设计工程， 2015，23（4）：158-160.
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