一種基于超聲波及無(wú)線傳輸?shù)挠?jì)圈裝置的設(shè)計(jì)

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院電子工程系 郭星辰

為了滿足中長(zhǎng)跑比賽項(xiàng)目對(duì)于計(jì)圈準(zhǔn)確性的要求,降低人為因素帶來(lái)的誤差,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于超聲波及無(wú)線傳輸技術(shù)的長(zhǎng)跑計(jì)圈裝置。介紹了計(jì)圈原理、計(jì)圈裝置的硬件構(gòu)成及軟件開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。計(jì)圈裝置采用主從結(jié)構(gòu),處理器為STC12C5A60S2單片機(jī),超聲波作為信號(hào)觸發(fā)手段,主從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)nRF24L01完成,主從機(jī)均具有人機(jī)交互功能。性能穩(wěn)定,計(jì)圈可靠,具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

0 引言

在田徑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)舉行的中長(zhǎng)跑比賽項(xiàng)目中,由于比賽總距離較長(zhǎng),需要對(duì)運(yùn)動(dòng)員繞場(chǎng)地跑行的圈數(shù)作記錄,即計(jì)圈,以計(jì)圈的圈數(shù)判定運(yùn)動(dòng)員的有效成績(jī)。傳統(tǒng)比賽通常采用人工計(jì)數(shù)方式,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,也有采用計(jì)分板等輔助工具進(jìn)行,但計(jì)數(shù)方法依然繁瑣且易出錯(cuò),難以準(zhǔn)確反映運(yùn)動(dòng)員的比賽數(shù)據(jù),甚至影響比賽結(jié)果的評(píng)判[1]。目前市場(chǎng)上也有部分電子計(jì)圈設(shè)備,通過(guò)在跑道起點(diǎn)設(shè)置紅外線或者無(wú)線電收發(fā)裝置,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過(guò)時(shí)自動(dòng)記錄,但現(xiàn)有設(shè)備往往精度較低,且易受干擾,當(dāng)有無(wú)關(guān)人員經(jīng)過(guò)設(shè)備時(shí)會(huì)擾亂計(jì)數(shù),且當(dāng)多名運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過(guò)時(shí)難以對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)員分別進(jìn)行準(zhǔn)確記錄,實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值很低。

為解決現(xiàn)有計(jì)圈方式存在的不足,本文提出一種采用超聲波傳感器和無(wú)線收發(fā)模塊相結(jié)合的長(zhǎng)跑計(jì)圈裝置,能夠?qū)⑴c比賽的運(yùn)動(dòng)員跑步圈數(shù)及跑步時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)和記錄。超聲波是一種機(jī)械波,由電壓對(duì)換能片的激勵(lì)所產(chǎn)生,在液體、固體等介質(zhì)中具有穿透作用,振動(dòng)頻率高于聲波頻率[2]。因其頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小,可以定向傳播,非常適合放置在起點(diǎn)處,作為信號(hào)觸發(fā)手段。將超聲波傳感器應(yīng)用于比賽計(jì)圈工作中,可有效克服現(xiàn)有計(jì)圈設(shè)備存在的各種缺陷,達(dá)到準(zhǔn)確定位和實(shí)施記錄的效果。

1 計(jì)圈原理

計(jì)圈裝置由主機(jī)和若干分機(jī)組成,其中主機(jī)放置于跑道起點(diǎn)內(nèi)側(cè),由工作人員操作,起點(diǎn)處設(shè)置超聲波感應(yīng)區(qū)。分機(jī)佩戴于運(yùn)動(dòng)員手臂上,每臺(tái)分機(jī)對(duì)應(yīng)一位運(yùn)動(dòng)員,每臺(tái)分機(jī)具有超聲波接收裝置。運(yùn)動(dòng)員每次經(jīng)過(guò)起點(diǎn)的超聲波感應(yīng)區(qū)后,分機(jī)觸發(fā)一次,記錄一圈及時(shí)間,同時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將圈數(shù)及當(dāng)前時(shí)間傳送給主機(jī)。主機(jī)采用防水處理,同時(shí)分機(jī)采用防水、減震處理,增強(qiáng)雨天應(yīng)用效果,同時(shí)降低運(yùn)動(dòng)員摔倒造成設(shè)備損壞幾率。計(jì)圈如圖1所示。

圖1 計(jì)圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of circle counting

2 主從機(jī)總體設(shè)計(jì)

主機(jī)包括主機(jī)控制模塊、液晶顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、主機(jī)無(wú)線傳輸模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及設(shè)置模塊,其中主機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出端分別與液晶顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、主機(jī)無(wú)線傳感模塊以及設(shè)置模塊的數(shù)據(jù)輸出/輸入端相連接,主機(jī)控制模塊內(nèi)部的供電模塊的電輸出端通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊連接主機(jī)無(wú)線傳感模塊的電輸入端。主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Frame diagram of host structure

分機(jī)包括分機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、超聲波接收模塊、分機(jī)無(wú)線傳感模塊以及電壓轉(zhuǎn)換模塊,其中分機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出端分別與數(shù)碼管顯示模塊、超聲波接收模塊和分機(jī)無(wú)線傳感模塊的數(shù)據(jù)輸出/輸入端相連接,分機(jī)控制模塊內(nèi)部的供電模塊的電輸出端通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊連接分機(jī)無(wú)線傳感模塊的電輸入端。分機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 分機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Unit structure block diagram

所述的主機(jī)盒和分機(jī)盒均采用ABS防水塑料材質(zhì),并進(jìn)行防水密封處理,避免工作時(shí)內(nèi)部設(shè)備被雨水或汗水浸泡而故障;同時(shí)分機(jī)盒內(nèi)部還墊有減震材料,如海綿內(nèi)襯或橡膠塊等,以保證分機(jī)在跑步過(guò)程中不慎掉落時(shí),內(nèi)部各模塊組件依然能夠維持正常運(yùn)行。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主從機(jī)控制模塊

計(jì)圈裝置采用主從結(jié)構(gòu),主機(jī)及各分機(jī)均采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容,但速度快8～12倍[3]。工作電壓5.5V～3.3V,內(nèi)置專(zhuān)用復(fù)位電路、獨(dú)立波特率發(fā)生器、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換等功能。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)電路Fig.4 STC12C5A60S2 minimum system circuit

3.2 無(wú)線傳輸模塊

nRF24L01無(wú)線傳輸模塊是Nordic公司產(chǎn)品,具有快速切換和喚醒能力,時(shí)間約為130us,數(shù)據(jù)傳輸速率提升至2MB/s,工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。nRF24L01集成度很高,內(nèi)部包括了功率放大器、頻率合成器等功能。另外,該模塊融入了增強(qiáng)型ShockBurST技術(shù),外部電路比較簡(jiǎn)單,可通過(guò)程序?qū)敵龉β屎屯ㄐ蓬l道進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)功耗極低,接收時(shí)工作電流只有12.3mA,以-6dBm的功率發(fā)射時(shí),工作電流只有9mA[4-5]。nRF24 L01無(wú)線傳輸模塊電路如圖5所示。

圖5 nRF24L01無(wú)線傳輸電路Fig.5 nRF24L01 wireless transmission circuit

nRF24L01主要有四種工作模式,由PWR_UP register寄存器、PRIM_RX register寄存器決定nRF24L01工作于何種模式。四種具體工作模式分別為收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式。本文針對(duì)Enhanced ShockBurst TM收發(fā)模式進(jìn)行介紹,該模式也是計(jì)圈裝置所采用的模式。在Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下,使用片上FIFO,數(shù)據(jù)從微控制器以低速送入,但以高速傳輸。因此,低速微控制器也可以獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。所有高速信號(hào)處理均在芯片上進(jìn)行,具有節(jié)能、系統(tǒng)成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外,nRF24L01在接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),還具有自動(dòng)去除和添加字頭和CRC校驗(yàn)碼的功能。

3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

AMS1117-3.3是一種正向低壓降穩(wěn)壓器,可以輸出3.3V電壓,從左至右依次是輸入、接地、輸出。C7和C8是輸出濾波電容,作用是抑制自激振蕩,C5和C6是輸入電容,作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置。AMS1117的片上微調(diào)可以把基準(zhǔn)電壓控制在1.5%的誤差以內(nèi),同時(shí)電流限制也得到了調(diào)整,盡量降低因電源電路和穩(wěn)壓器超載造成的壓力。電壓轉(zhuǎn)換模塊電路如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換模塊電路Fig.6 Voltage conversion module circuit

3.4 超聲波收發(fā)模塊

所述超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊采用型號(hào)為EU1640BCH的16MM超聲波防水型分體40KHz傳感器測(cè)距探頭,標(biāo)稱(chēng)頻率40KHz,發(fā)射聲壓≥110dB,接收靈敏度≥-75dB,靜電容量1800±30%,探測(cè)距離3m左右。該模塊是一對(duì)多模塊,為了增強(qiáng)超聲波感應(yīng)效果,可以將多個(gè)超聲波模塊并聯(lián)到一起擴(kuò)大超聲波感應(yīng)區(qū)域[6]。

圖9 主機(jī)工作流程 Fig.9 Host workflow

圖10 分機(jī)X工作流程Fig.10 Extension X workflow

(1)超聲波發(fā)射電路。超聲波發(fā)射電路主要由9012三極管和超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成,9012在這里起到開(kāi)關(guān)作用。單片機(jī)端口輸出的40kHz的方波信號(hào)經(jīng)9012送到超聲波換能器的一個(gè)電極,從而激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波。LED發(fā)光二極管用于電路正常工作提示作用。超聲波發(fā)射電路如圖7所示。

圖7 超聲波發(fā)射電路Fig.7 Ultrasonic transmitter circuit

(2)超聲波接收電路。因?yàn)榻邮盏降某暡ㄐ盘?hào)很弱,所以需要放大。超聲信號(hào)由Q2和Q3兩級(jí)放大器放大,每級(jí)放大器放大約70倍。放大后的信號(hào)通過(guò)檢波電路解調(diào),即解調(diào)成幾個(gè)較大的脈沖波。這里使用N4148檢波二極管,輸出的直流信號(hào)是2和D3之間的電容電壓。超聲波接收電路如圖8所示。

圖8 超聲波接收電路Fig.8 Ultrasonic receiving circuit

3.5 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用LCD12864液晶屏,與主機(jī)控制器相連,主要用于顯示設(shè)置參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)、分機(jī)信息、記錄數(shù)據(jù)等。

3.6 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管顯示模塊采用0.36寸四位一體共陰極數(shù)碼管,與分機(jī)控制器相連,主要方便運(yùn)動(dòng)員觀察跑步圈數(shù)、跑步時(shí)間等數(shù)據(jù),與主機(jī)控制器信息同步。

3.7 設(shè)置模塊

設(shè)置模塊用于設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù),包括復(fù)位按鍵、選擇按鍵、確定按鍵、設(shè)置按鍵;其中復(fù)位按鍵用于開(kāi)機(jī)后的所有參數(shù)復(fù)位或者記錄一個(gè)輪次后的數(shù)據(jù)復(fù)位;設(shè)置按鍵用于進(jìn)入設(shè)置狀態(tài);選擇按鍵用于選擇某一個(gè)分機(jī)ON或者OFF;確定按鍵用于在設(shè)置狀態(tài)中確認(rèn)設(shè)置的分機(jī)狀態(tài)后進(jìn)入工作狀態(tài),或者在工作狀態(tài)中開(kāi)啟計(jì)圈。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Keil uVision5開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用C語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序,由主機(jī)程序和分機(jī)程序組成。主機(jī)程序主要包括液晶顯示程序、設(shè)置程序、數(shù)據(jù)采集程序、超聲波發(fā)射程序、無(wú)線傳輸程序等。分機(jī)程序主要包括數(shù)碼管顯示程序、超聲波接收程序、數(shù)據(jù)記錄程序、無(wú)線傳輸程序等。鑒于篇幅限制,本文只針對(duì)無(wú)線傳輸部分軟件編寫(xiě)作介紹。

4.1 無(wú)線傳輸配置

nRF24L01共有30字節(jié)配置字,所有配置均通過(guò)SPI完成。Enhanced ShockBurstTM的配置字可以分為數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、CRC四個(gè)部分,程序編寫(xiě)更加簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性也更好。數(shù)據(jù)寬度聲明數(shù)據(jù)所占用的位數(shù),使nRF24L01能夠區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼。地址寬度聲明地址所占用的比特?cái)?shù),使nRF24L01能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)。地址為接收數(shù)據(jù)的地址,包括0～5通道的地址。CRC使能nRF24L01生成CRC校驗(yàn)碼和解碼,使用片上CRC校驗(yàn)時(shí),確保配置字中啟用了CRC校驗(yàn),且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。

4.2 Enhanced ShockBurstTM發(fā)射流程

具體發(fā)射流程為:(1)將接收機(jī)地址和數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF24L01;(2)配置CONFIG寄存器,工作模式為發(fā)送模式;(3)微控制器將CE端置高至少10us時(shí)間,并激活nRF24L01進(jìn)行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射;(4)Enhanced ShockBurstTM發(fā)射。

4.3 Enhanced ShockBurstTM接收流程

具體接收流程為:(1)配置本地地址和接收的數(shù)據(jù)包大小;(2)配置CONFIG寄存器為接收模式,CE設(shè)置為高;(3)130us后nRF24L01進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài),等待接收數(shù)據(jù)包;(4)當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包時(shí),nRF24L01自動(dòng)去除字頭、地址和CRC校驗(yàn)位;(5)nRF24L01將STATUS寄存器中RX_DR置位,以此通知STC12控制器;(6)微控制器從NewMsg_ RF2401讀取數(shù)據(jù);(7)讀取所有數(shù)據(jù)后清除STATUS寄存器。

4.4 主機(jī)及分機(jī)流程圖

主機(jī)流程圖如圖9所示,分機(jī)流程圖如圖10所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合中長(zhǎng)跑比賽項(xiàng)目的需要,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)計(jì)圈裝置。硬件方面主要完成了超聲波收發(fā)電路、無(wú)線傳輸電路、LCD及數(shù)碼管顯示電路等,軟件方面完成了主從機(jī)程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了信號(hào)觸發(fā)、計(jì)圈、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)測(cè)試表明,該計(jì)圈裝置性能穩(wěn)定,計(jì)圈準(zhǔn)確,大大降低了人為計(jì)圈帶來(lái)的誤差。后續(xù)研究中,還需在智能化、輕便化方面深入研究,加入運(yùn)動(dòng)參數(shù)等分析功能,提升計(jì)圈裝置應(yīng)用體驗(yàn)。

引用

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