红外与超声技术的简单室内定位设计
摘 要本论文以室内定位系统作为研究目标，设计了一款能够对室内10*10米范围内任意位置定位的控制系统，当移动物体处于该空间范围内时，检测系统将以超声波作为载体向移动物体发出三组超声波速，通过复杂算法并结合方程式对该物体的具体坐标值进行快速计算，这款仿真设计是通过模拟AT89C51单片机来进行控制的，通过这种型号的微处理器灵活的输出输入管脚完成了对LCD1602、有源蜂鸣器和TBS-001超声波传感器等模块的高效驱动。在设计方法上，主要是搭建了单片机最小系统电路并且将LCD1602液晶屏电路、报警信号生成电路和等电路与其进行连接，而且通过C语言对代码程序进行构建而且生成HEX目标代码文件之后烧写到单片机里面后进行工作。本课题的设计难点主要体现在模拟仿真的单片机必须通过有限的内部资源发挥出方便的信号输入输出转换以及数据处理等。通过这款室内定位系统的实现，完成了大学期间最重要的一次作业，这是对我所学知识的一次综合调用以及培养了较强的问题分析能力。
目录
一、 引言 1
（一） 室内定位技术的发展背景 1
（二） 室内定位技术的发展现状 2
（三） 主要内容 2
二、 室内定位系统的方案设计 3
（一） 室内定位技术的原理设计 3
（二） 实现方案设计 4
三、 室内定位系统的主控电路设计 5
1. 单片机简介 5
2. 最小系统电路设计 5
四、 系统模块与电路设计 8
（一） 超声波测距电路设计 8
1. TBS001超声波传感器简介 8
2. 超声波测距电路设计 9
（二） 定位系统液晶显示电路设计 10
（三） 超出测量范围时的报警电路设计 11
（四） 按键电路设计 12
五、 系统软件设计 13
（一） 室内定位系统的主程序流程设计 13
（二） 超声波测距流程设计 14
（三） 超出测量范围时的报警流程设计 15
六、 仿真系统调试 17
总结与展望 20
参考文献 21
致 谢 22
附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
录一 原理图 23
附录二 PCB图 24
附录三 元件列表 25
附录四 程序 26
引言
室内定位技术的发展背景
本论文将要研发的是用控制器芯片来控制的一种室内定位系统，通过对该系统的典型特征和目前市场上最高端的款式做探究和分析之后，制定出一种适合本次毕业设计来研究的系统，通过调研可以发现这种应用主控器件实现的室内定位系统的效果常见高于其他类型的室内定位系统，这不但体现在其超高的性价比上，更在于系统所表现出来的性能等方面。所谓的基于51单片机的室内定位系统实际上就是指通过C语言或者其它较长使用的底层语言来编写代码，而且通过编译器生成机器代码之后，烧写到51单片机芯片之后进行指令执行的一种系统，本论文研究的该系统也符合这类特征，它在里面以51单片机最小系统作为关键部分，并且在外部模块上构建采集电路、传感电路、按键电路以及液晶电路等，通过C51的操控，实现所有功能，这类室内定位系统以C语言等最接近硬件的语言来实现对电路控制，可以以最大的效率执行各项功能。
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图1 室内定位系统
现如今市面上的室内定位系统主要是以微处理器当作控制核心的，当然在工控环境也有选用CPLD或者PLC等控制器来完成的。采用CPLD或FPGA等可编程逻辑器件实现的系统具有运行速度快，适合处理逻辑功能复杂的系统，FPGA等芯片的引脚尤为多，动辄上百个可供用户的IO管脚，另外各引脚都含有输入输出功能，和微处理器的开发过程不同的是，这种控制器选用自下而上的模块化设计形式来实现系统设计，研究人员在对室内定位系统配置开始时第一步所需要在心中构建出一副系统的整体蓝图，然后通过图形语言将各必要电路绘制出来，接着所需要通过VHDL或者verilog语言对各模块进行时序功能设计，该方法编写出来的系统虽然效果比较好，然而对于研究人员的入门要求特别高，然后verilog语言非常难学另外对时序的操控也是一门尤为不易掌握的问题，所以普及性上不如C语言，这就是引发如今以FPGA或者CPLD模块作为核心的室内定位系统不流行的一个主要原因。许多有了对于室内定位系统常年设计经验的工程师不得不承认一个事实，当前单片机市场呈现出的性能不断上升而成本不断下降趋势使得采用单片机芯片当作主控器件来构建室内定位系统，是最为明智的选择，通过高性能控制芯片来实现的室内定位系统不仅符合如今比较流行的低功耗理念，更对增加系统的总体性价比具有非常关键的意义。
室内定位技术的发展现状
近几年来的以太网技术在电子技术相关的各行各业都获得了普遍发展，尤其是嵌入式以太网在室内定位系统中的使用，现如今国内外非常多研究小组都取得了该技术的掌握，这个指标使得室内定位系统组网成为了可能，多个系统相互之间的传输数据变得尤为容易。当前国际上有愈来愈多的研究者和高校中的课外兴趣小组开始着眼于对新型室内定位系统的研发，多方面当前国际上的发展现状来看，国内现有产品所表现出的重点技术与国外顶尖产品在持平状态，国内外处于一种竞争发展的状态。智能概念的提出给室内定位系统注入了新的生命活力，目前国际上众多研究小组都在将大大小小的智能元素内部设计到现有的室内定位系统中，并且传感器技术的快速发展也把使得该控制系统持续向多传感化发展，使室内定位系统运行更方便。
主要内容
本课题将设计一款能够对室内10*10米范围内任意位置定位的控制系统，当移动物体处于该空间范围内时，检测系统将以超声波作为载体向移动物体发出三组超声波速，通过复杂算法并结合方程式对该物体的具体坐标值进行快速计算，与此同时系统还需要具备液晶显示以及定位超出测量范围时的报警功能。
室内定位系统的方案设计
室内定位技术的原理设计
所谓的室内定位技术，其实是可以通过下图中的三个圆圈来进行工作原理的阐述的，我们将三个全向超声波探头布置在房间内的额1、2和3三个点，这三个探头将在某一时刻同时向周围空间发射超声波信号，每个超声波探头发射的超声波信号具有独立性，各探头能够识别自己发射的超声波特点并只对自己发射的超声波进行接收，这是先决条件。
以探头1为例，它向四面八方发射的超声波在理想情况下，某一时刻其发射的超声波达到的距离将形成一个圆，该圆以探头1的位置为原点，半径为R1。而其他两个探头所形成的圆如下图所示，也是同样的原理。若移动设备在三个探头的探测范围内，那么三个圆必将与移动设备同时交汇，如下图所示，此时移动设备与探头1、2和3的距离分别是R1、R2和R3，由于R1、R2和R3的值是可以通过超声波测距法测量得到的，那么该移动设备的坐标点（X1,Y1）与R1、R2和R3之间的关系可通过方程式来表达。
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图2 三圆测位法
这是三个二元二次方程式，根据数学知识我们可以知道在三个关系式、两个未知数的前提下，可以解得这两个未知数的值，所以最终通过运算能够得到X1和Y1的值，这就是移动物体的在室内的坐标值。
目录
一、 引言 1
（一） 室内定位技术的发展背景 1
（二） 室内定位技术的发展现状 2
（三） 主要内容 2
二、 室内定位系统的方案设计 3
（一） 室内定位技术的原理设计 3
（二） 实现方案设计 4
三、 室内定位系统的主控电路设计 5
1. 单片机简介 5
2. 最小系统电路设计 5
四、 系统模块与电路设计 8
（一） 超声波测距电路设计 8
1. TBS001超声波传感器简介 8
2. 超声波测距电路设计 9
（二） 定位系统液晶显示电路设计 10
（三） 超出测量范围时的报警电路设计 11
（四） 按键电路设计 12
五、 系统软件设计 13
（一） 室内定位系统的主程序流程设计 13
（二） 超声波测距流程设计 14
（三） 超出测量范围时的报警流程设计 15
六、 仿真系统调试 17
总结与展望 20
参考文献 21
致 谢 22
附 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
录一 原理图 23
附录二 PCB图 24
附录三 元件列表 25
附录四 程序 26
引言
室内定位技术的发展背景
本论文将要研发的是用控制器芯片来控制的一种室内定位系统，通过对该系统的典型特征和目前市场上最高端的款式做探究和分析之后，制定出一种适合本次毕业设计来研究的系统，通过调研可以发现这种应用主控器件实现的室内定位系统的效果常见高于其他类型的室内定位系统，这不但体现在其超高的性价比上，更在于系统所表现出来的性能等方面。所谓的基于51单片机的室内定位系统实际上就是指通过C语言或者其它较长使用的底层语言来编写代码，而且通过编译器生成机器代码之后，烧写到51单片机芯片之后进行指令执行的一种系统，本论文研究的该系统也符合这类特征，它在里面以51单片机最小系统作为关键部分，并且在外部模块上构建采集电路、传感电路、按键电路以及液晶电路等，通过C51的操控，实现所有功能，这类室内定位系统以C语言等最接近硬件的语言来实现对电路控制，可以以最大的效率执行各项功能。
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图1 室内定位系统
现如今市面上的室内定位系统主要是以微处理器当作控制核心的，当然在工控环境也有选用CPLD或者PLC等控制器来完成的。采用CPLD或FPGA等可编程逻辑器件实现的系统具有运行速度快，适合处理逻辑功能复杂的系统，FPGA等芯片的引脚尤为多，动辄上百个可供用户的IO管脚，另外各引脚都含有输入输出功能，和微处理器的开发过程不同的是，这种控制器选用自下而上的模块化设计形式来实现系统设计，研究人员在对室内定位系统配置开始时第一步所需要在心中构建出一副系统的整体蓝图，然后通过图形语言将各必要电路绘制出来，接着所需要通过VHDL或者verilog语言对各模块进行时序功能设计，该方法编写出来的系统虽然效果比较好，然而对于研究人员的入门要求特别高，然后verilog语言非常难学另外对时序的操控也是一门尤为不易掌握的问题，所以普及性上不如C语言，这就是引发如今以FPGA或者CPLD模块作为核心的室内定位系统不流行的一个主要原因。许多有了对于室内定位系统常年设计经验的工程师不得不承认一个事实，当前单片机市场呈现出的性能不断上升而成本不断下降趋势使得采用单片机芯片当作主控器件来构建室内定位系统，是最为明智的选择，通过高性能控制芯片来实现的室内定位系统不仅符合如今比较流行的低功耗理念，更对增加系统的总体性价比具有非常关键的意义。
室内定位技术的发展现状
近几年来的以太网技术在电子技术相关的各行各业都获得了普遍发展，尤其是嵌入式以太网在室内定位系统中的使用，现如今国内外非常多研究小组都取得了该技术的掌握，这个指标使得室内定位系统组网成为了可能，多个系统相互之间的传输数据变得尤为容易。当前国际上有愈来愈多的研究者和高校中的课外兴趣小组开始着眼于对新型室内定位系统的研发，多方面当前国际上的发展现状来看，国内现有产品所表现出的重点技术与国外顶尖产品在持平状态，国内外处于一种竞争发展的状态。智能概念的提出给室内定位系统注入了新的生命活力，目前国际上众多研究小组都在将大大小小的智能元素内部设计到现有的室内定位系统中，并且传感器技术的快速发展也把使得该控制系统持续向多传感化发展，使室内定位系统运行更方便。
主要内容
本课题将设计一款能够对室内10*10米范围内任意位置定位的控制系统，当移动物体处于该空间范围内时，检测系统将以超声波作为载体向移动物体发出三组超声波速，通过复杂算法并结合方程式对该物体的具体坐标值进行快速计算，与此同时系统还需要具备液晶显示以及定位超出测量范围时的报警功能。
室内定位系统的方案设计
室内定位技术的原理设计
所谓的室内定位技术，其实是可以通过下图中的三个圆圈来进行工作原理的阐述的，我们将三个全向超声波探头布置在房间内的额1、2和3三个点，这三个探头将在某一时刻同时向周围空间发射超声波信号，每个超声波探头发射的超声波信号具有独立性，各探头能够识别自己发射的超声波特点并只对自己发射的超声波进行接收，这是先决条件。
以探头1为例，它向四面八方发射的超声波在理想情况下，某一时刻其发射的超声波达到的距离将形成一个圆，该圆以探头1的位置为原点，半径为R1。而其他两个探头所形成的圆如下图所示，也是同样的原理。若移动设备在三个探头的探测范围内，那么三个圆必将与移动设备同时交汇，如下图所示，此时移动设备与探头1、2和3的距离分别是R1、R2和R3，由于R1、R2和R3的值是可以通过超声波测距法测量得到的，那么该移动设备的坐标点（X1,Y1）与R1、R2和R3之间的关系可通过方程式来表达。
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图2 三圆测位法
这是三个二元二次方程式，根据数学知识我们可以知道在三个关系式、两个未知数的前提下，可以解得这两个未知数的值，所以最终通过运算能够得到X1和Y1的值，这就是移动物体的在室内的坐标值。
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