一種基于STM8單片機的智能毽球設(shè)計*

甘華國，呂婭昭，梁曉靜，林奕涵，陳銳賢，劉佐濂

(廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,廣州 510006)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對身體鍛煉也越來越重視，運動成為生活中不可或缺的一部分。其中占地面積小，成本低，趣味性強的運動最受歡迎。而作為中國傳統(tǒng)的毽球運動，集聚上述所有優(yōu)點，深受大家喜愛[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，越來越多的智能化設(shè)備被開發(fā)出來[4]。為提高傳統(tǒng)毽球運動的趣味性，廣泛傳播這項便民運動，本文結(jié)合現(xiàn)代智能化技術(shù)，開發(fā)出一款智能化毽球，使傳統(tǒng)毽球能與手機進行無線連接，同時具有自動計數(shù)的智能化功能。開發(fā)的手機APP除了能顯示“踢球的次數(shù)”，還具有“卡路里計算”，“與好友比拼”等功能。增加了傳統(tǒng)毽球運動的娛樂性，調(diào)動了全民運動的積極性，在拓展傳統(tǒng)毽球功能的同時盡量控制其成本和球體的重量，使之能大范圍推廣使用。

1 整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架圖

設(shè)計的智能毽球整體電路框架如圖1所示。

圖1 整體電路框架圖

1.2 系統(tǒng)原理

在系統(tǒng)中，微動開關(guān)通過主控芯片STM8S103F3P6的外部中斷接口與主控芯片進行連接。微動開關(guān)在沒有碰撞的情況下是處于斷開狀態(tài)，一旦受到外部物體碰撞，微動開關(guān)內(nèi)部就會接觸導(dǎo)通，觸發(fā)芯片的中斷響應(yīng)，在中斷響應(yīng)中使計數(shù)值加一更新。更新后的計數(shù)值會通過與主控芯片連接的藍牙CC2541模塊無線發(fā)送到手機，在設(shè)計的手機APP界面上實時顯示和更新踢毽球的次數(shù)。

1.3 外觀設(shè)計

智能毽球跟市面上普通毽球外形一致，用來踢的半球底座改裝成裝載電路板和電子元件的外殼。設(shè)計的模型外殼底座采用硬的打印材料，底座外部包裹一圈軟膠材質(zhì)打印的材料，使毽球具有一定的彈性，獲得與傳統(tǒng)毽球一樣的用戶體驗感。圓形外殼和包裹的軟膠形狀采用Solid Works軟件來進行設(shè)計。Solid Works軟件是一款三維建模軟件，其功能強大，操作簡單，易于學(xué)習(xí)和應(yīng)用[5]。智能毽球的外殼設(shè)計無需太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以用Solid Works軟件來進行建模設(shè)計可以快速開發(fā)出成品。外觀整體結(jié)構(gòu)和分結(jié)構(gòu)如圖2。

2 硬件電路設(shè)計

2.2 基于STM8S103F3P6的整體系統(tǒng)設(shè)計

STM8S103F3P6貼片元件很小，而且外圍所需電路很少，不需要晶振電路，復(fù)位電路等，只需要兩個電容元件即可正常工作。此款芯片有14個引腳可用，而且每個引腳都具有外部中斷能力，這在電路設(shè)計上有很大的便利。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖(左)和分結(jié)構(gòu)圖(右)

智能毽球因為要在成本、重量和體積上嚴格控制，成本要低，重量和體積不能太大，否則踢的效果就會不好。STM8S103F3P6最小系統(tǒng)可以很好的滿足設(shè)計符合要求，其功能引腳多，而且所需外圍電路少，其本身體積也小[6]。基于STM8S103F3P6的整體系統(tǒng)設(shè)計電路如圖3。

左上是基于STM8S103F3P6的最小系統(tǒng)，右上是基于CC2541藍牙的電路，左下是基于XC6206P332MR的穩(wěn)壓供電電路，右下是計數(shù)觸發(fā)電路。

圖3 整體系統(tǒng)設(shè)計電路

2.3 基于CC2541藍牙電路

CC2541是一款針對低能耗以及私有2.4GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)。CC2541將領(lǐng)先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標準的增強型8051MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、8kBRAM和很多其它功能強大的特性和外設(shè)組合在一起[7]。CC2541非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。這由多種不同的運行模式指定。運行模式間較短的轉(zhuǎn)換時間進一步使低能耗變?yōu)榭赡?。而且價格低廉，易于控制成本。CC2541需要的外圍元件少，電路簡單，容易設(shè)計。

2.4 基于XC6206P332MR的穩(wěn)壓供電電路

XC6206P332MR芯片是一款低功耗、低壓差、大電流的三端穩(wěn)壓芯片，可以穩(wěn)定輸出3.3V電壓。其輸入和輸出端只需要兩個電容對直流電源進行簡單濾波即可，電路設(shè)計簡單。采用XC6206P332MR芯片設(shè)計的供電電路，可以為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3V電壓，而且此芯片輸出最大電流為250mA，輸出功率完全能支撐整個系統(tǒng)。

2.5 計數(shù)觸發(fā)電路

計數(shù)觸發(fā)電路實際上是一個硬件消抖電路[8，9]，單片機檢測到信號就會進行計數(shù)值加一更新。因為微觸開關(guān)是一個機械開關(guān)，其內(nèi)部有一條很小的細導(dǎo)線，在踢的時候由于震動會碰到內(nèi)部的金屬導(dǎo)體而使其兩個引腳導(dǎo)通，從而觸發(fā)芯片的外部中斷響應(yīng)。

機械開關(guān)都會存在抖動問題，在信號的上升沿和下降沿會出現(xiàn)不平穩(wěn)的信號，時高時低，有使進入單片機的信號受到影響，讓單片機產(chǎn)生誤判。消抖電路就能對進入單片機的信號進行消抖，使信號免受干擾。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程圖(如圖4)

圖4 軟件流程圖

3.2 軟件原理

首先程序?qū)Υ诎l(fā)送函數(shù)和外部中斷函數(shù)進行初始化，然后進入循環(huán)函數(shù)等待外部中斷函數(shù)觸發(fā)響應(yīng)。當(dāng)外部中斷函數(shù)響應(yīng)后，進入中斷函數(shù)，在中斷函數(shù)中進行延時消抖，確保信號正確，然后計數(shù)值加一，再用串口函數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙芯片，通過藍牙芯片把數(shù)據(jù)發(fā)送到手機。

4 手機APP設(shè)計

手機APP登錄界面和計數(shù)界面如圖5?？防镉嬎愫秃糜鸦咏缑嫒鐖D6。

圖5 登錄界面(左)和計數(shù)界面(右)

圖6 卡路里計算(左)和好友互動界面(右)

手機APP啟動界面就是一個毽球形狀。在次數(shù)顯示界面，有計數(shù)顯示和計時顯示，既能顯示踢的次數(shù)也能顯示運動時間。APP還做了運動卡路里計算功能和好友互動功能。此產(chǎn)品采用當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)概念，實現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)共享，切合了當(dāng)今智能產(chǎn)品的發(fā)展方向，讓用戶有更好的體驗效果[10]。

5 結(jié)論

通過研究與實踐，已成功研發(fā)出既有傳統(tǒng)毽球的外形，又有精確計數(shù)功能，還能與智能手機無線連接的低成本智能化的毽球。大大增加了踢毽子過程中的樂趣。該設(shè)計使中國傳統(tǒng)運動與現(xiàn)代科技相融合，有利于傳播這項古老又便民的運動。