基于無線通信的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器

楊葉康

（山東理工職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)寧， 272067）

1 總體設(shè)計(jì)

本文提出的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器分為兩個(gè)大的模塊。其中主控模塊由單片機(jī)、NRF24L01 無線通信模塊、LCD1602液晶顯示器、蜂鳴器組成，從板由單片機(jī)，超聲波傳感器、NRF24L01 無線通信模塊組成。兩塊電路板都由五節(jié)五號(hào)電池串聯(lián)供電。系統(tǒng)框圖如圖1、2 所示。

圖2 從板結(jié)構(gòu)框圖

其中，在從板中，超聲波測(cè)距傳感器將在籃筐下檢測(cè)籃球與籃板的距離，當(dāng)距離小于某個(gè)閾值，則認(rèn)定為進(jìn)球有效。在從板上的超聲波傳感器檢測(cè)到進(jìn)球的同時(shí)，從板上的NRF24L01 無線通信模塊會(huì)和主板上的NRF24L01 無線通信模塊進(jìn)行通信，從板把進(jìn)球信息傳輸?shù)街靼?，主板?duì)進(jìn)球數(shù)加一，并顯示在LCD1602 液晶顯示器上，同時(shí)蜂鳴器響一聲，來通過聲音提示進(jìn)球成功。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文提出的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器硬件設(shè)計(jì)由AD21 完成。其電路圖如圖3、4 所示。

圖3 主板硬件電路圖

圖4 從板硬件電路圖

其中，在主板中，硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，蜂鳴器模塊電路，供電模塊電路，LCD1602 液晶顯示模塊電路，NRF24L01 無線通信模塊電路。

從板硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，供電模塊電路，超聲波測(cè)距模塊電路，NRF24L01 無線通信模塊電路。

以下無論是主板還是從板，對(duì)以上提到過的電路進(jìn)行一一介紹，不重復(fù)介紹。

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本文提出的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器采用STC89C52RC 作為主控芯片。由于該芯片不自帶晶振，所以需要外接晶振。芯片外接晶振的引腳為第18 和第19 引腳。外接晶振的同時(shí)，每個(gè)引腳接一個(gè)33pF 的電容，電容一端接在晶振引腳上，一端接地，電容的作用是濾波。

復(fù)位電路在獨(dú)立按鍵兩個(gè)引腳之間接一個(gè)10μF 的電解電容，在電解電容的負(fù)極接一個(gè)10kΩ 的電阻，電阻的另一端接地。在單片機(jī)的第20 引腳和第40 引腳分別接地和電源。之所以在第40 腳電源端接一個(gè)104pF 的電容連接到地端，是因?yàn)殡娫从锌赡懿环€(wěn)定，用于濾波。

■2.2 供電模塊電路

由于本設(shè)計(jì)的主板和從板都是用五節(jié)五號(hào)電池供電。因?yàn)槊抗?jié)五號(hào)電池的電壓為1.5V，所以五節(jié)加起來共有7.5V 的電壓，而本文所選單片機(jī)、超聲波傳感器、蜂鳴器、LCD1602 液晶顯示器的工作電壓是5V，NRF24L01 無線通信模塊的工作電壓是3.3V，所以需要降壓。

從7.5V 降到5V，本文采用的是L7805 降壓芯片。L7805 有三個(gè)管腳，輸入管腳為7.5V 的輸入端，輸出管腳為5V 輸出端，公共端接地。如圖3 所示，本文在L7805 的輸出端和地之間并聯(lián)了兩個(gè)電容，同樣是用于濾波。

從5V 降壓到3.3V 本文采用的是AMS1117-3.3 降壓芯片。降壓電路簡(jiǎn)單易懂，輸入為5V，輸出為3.3V。其中兩個(gè)VOUT 引腳連在了一起。

■2.3 超聲波測(cè)距模塊電路

超聲波測(cè)距模塊是集成模塊，其中的電路不需本文設(shè)計(jì)，只需把該模塊的電源和地連接上，并把Trig 和Echo引腳連接到單片機(jī)上即可。其中Trig 引腳連接在了單片機(jī)的P2.1 引腳，Echo 連接在了P2.0 引腳。超聲波模塊采用HC-SR04 型號(hào)。HC-SR04 采用CS100A 作為主芯片，采用8MHz 晶振，能準(zhǔn)確測(cè)量2 ～600cm 的距離。

■2.4 NRF24L01 無線通信模塊電路

NRF24L01 同樣是集成模塊，它自帶天線，有一套自己獨(dú)特的通信協(xié)議。它的通信距離可達(dá)1100 米，理論上可實(shí)現(xiàn)無數(shù)個(gè)模塊之間的相互通信?，F(xiàn)實(shí)中常用的是一收多發(fā)，即多個(gè)NRF24L01 對(duì)同一個(gè)NRF24L01 進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。雖然實(shí)際上是串行收發(fā)數(shù)據(jù)，但是由于收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間極短，可以認(rèn)為是并發(fā)的進(jìn)行一收多發(fā)。

實(shí)現(xiàn)一收多發(fā)的方式有兩種，一種是所有NRF24L01 模塊采用相同的地址，但采用不同的頻率進(jìn)行通信；另一種是所有的NRF24L01 采用相同的頻率，而地址則不相同。NRF24L01 支持的頻率范圍為2.4GHz~2.5GHz，因此理論上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)接收無數(shù)個(gè)發(fā)送，但是由于相鄰頻率容易出錯(cuò)，因此在現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)太多NRF24L01 同時(shí)向一個(gè)NRF24L01 發(fā)送數(shù)據(jù)。

另外需要注意的是，本文采用的單片機(jī)是5V 供電，而NRF24L01 無線通信模塊是3.3V 供電，所以存在電平不兼容的問題，因此需要在NRF24L01 模塊的引腳和單片機(jī)的引腳之間串470Ω 的電阻。這樣才能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和該無線通信模塊之間的連接。

■2.5 LCD1602 液晶顯示電路

LCD1602 液晶顯示器共有16 個(gè)引腳，由于LCD1602是并行數(shù)據(jù)傳輸，所以其中有8 個(gè)數(shù)據(jù)引腳，本文把它們接在了單片機(jī)的P2 口上，如果單片機(jī)的I/O 引腳不充足的情況下，還可以使用74HC595 來串轉(zhuǎn)并進(jìn)行單片機(jī)接口的擴(kuò)展。另外還有3 個(gè)控制引腳，他們分別是數(shù)據(jù)命令選擇引腳RS，讀寫選擇引腳RW 和使能信號(hào)引腳E。他們被分別接在了P1.1、P1.2 和P1.3 管腳。LCD1602 的第3 引腳需要接一個(gè)電位器，電位器的兩端分別接電源和地，調(diào)整電位器可用于調(diào)節(jié)1602 的背光燈亮度。

■2.6 蜂鳴器模塊電路

蜂鳴器用于提示進(jìn)球的有效性，雖然它是由0 和1 來控制，但是它是一個(gè)功率器件，需要大的電流來驅(qū)動(dòng)才可以正常工作，因此不能直接接在單片機(jī)的引腳上，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的驅(qū)動(dòng)能力是有限的，而三極管有放大作用，它有放大電流的作用，恰好可用于放大單片機(jī)的微弱電流，因此本文在蜂鳴器和單片機(jī)之間連接了一個(gè)PNP 型三極管用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。值得注意的是，本文采用的是有源蜂鳴器。之所以采用有源蜂鳴器是因?yàn)橛性捶澍Q器自帶振動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，發(fā)聲清脆，其功能符合本文的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文所提出的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器分為主板和從板，由于主板和從板上都有各自的單片機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)的功能不同，因此軟件也分為兩套，一個(gè)是主板上的軟件，一個(gè)是從板上的軟件。其程序流程圖分別如圖5、6 所示。

圖5 從板軟件流程圖

圖6 主板軟件流程圖

對(duì)于從板，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其中包括變量的初始化，定時(shí)器的初始化，NRF24L01 引腳的初始化，當(dāng)然，對(duì)于STC89C52RC 并不需要，還包括NRF24L01 無線通信模塊的檢測(cè)，NRF24L01 模塊的初始化（主要是初始化的設(shè)置，包括地址，頻率等），還有設(shè)置NRF24L01 為發(fā)送模式，初始化的最后一步就是延時(shí)，延時(shí)的作用就是等待系統(tǒng)穩(wěn)定之后再進(jìn)行工作。

然后從板不斷地進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)距離小于20cm 的時(shí)候，判斷進(jìn)球有效，無線通信模塊把進(jìn)球信息發(fā)送給主板。從板在使用超聲波測(cè)距的時(shí)候用到了定時(shí)器，超聲波測(cè)距的原理就是，首先，超聲波傳感器發(fā)出超聲波，然后定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波碰到障礙物（這里指籃球）返回到超聲波傳感器定時(shí)器計(jì)時(shí)停止，根據(jù)超聲波在空氣中傳播的速度，再根據(jù)定時(shí)器計(jì)時(shí)的時(shí)間，從而計(jì)算出超聲波傳感器與障礙物的距離。這里設(shè)定閾值為20cm，也即當(dāng)超聲波傳感器與籃球的距離小于20cm 的時(shí)候判斷為籃球進(jìn)球成功；接下來單片機(jī)控制NRF24L01 模塊發(fā)送一個(gè)字符串到主板。

而主板不斷地在等待接收從板發(fā)過來的字符串信息，當(dāng)從板向主板發(fā)送字符串信息的時(shí)候，主板才能成功接收，進(jìn)而主板上的主控芯片控制液晶顯示模塊顯示出來進(jìn)球數(shù)量，至此，一個(gè)有效的進(jìn)球成功顯示了出來。如此循環(huán)往復(fù)，軟件即可完成籃球進(jìn)球的持續(xù)計(jì)數(shù)。

主板的軟件初始化包括了變量的初始化，LCD1602 液晶的初始化，NRF24L01 的引腳初始化，NRF24L01 的檢查，NRF24L01 的設(shè)置初始化，接收模式的設(shè)置，LCD1602 固定字符的顯示，以及用于等待系統(tǒng)穩(wěn)定的延時(shí)。

4 測(cè)試

經(jīng)過一系列步驟成型的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器實(shí)物如圖7所示。

圖7 左側(cè)為從板，右側(cè)為主板。把從板安裝在籃球框下面的籃板上，主板則放在容易觀察的地方，比如桌子上。每當(dāng)進(jìn)球成功后，從板會(huì)檢測(cè)到進(jìn)球并把進(jìn)球信息發(fā)送給主板，主板上的LCD1602 顯示的數(shù)字就會(huì)加一并伴有蜂鳴器的響聲。

圖7 籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器實(shí)物圖

實(shí)踐證明，本文所設(shè)計(jì)的籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器是可行的、切實(shí)有效的。它能夠在不用人為操作的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)籃球進(jìn)球計(jì)數(shù)，并顯示出來。有助于投籃訓(xùn)練、投籃比賽等諸多體育運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款籃球進(jìn)球自動(dòng)計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器分為兩個(gè)大的模塊，分別為主板和從板。主板和從板都由單片機(jī)控制。從板由單片機(jī)，超聲波傳感器和NRF24L01 無線通信模塊組成，固定在籃球框下面的籃板上，用于檢測(cè)籃球的進(jìn)球；主板由單片機(jī)，NRF24L01、蜂鳴器和LCD1602組成，放在易于觀察的位置，用于與從板通信并顯示進(jìn)球數(shù)。

經(jīng)過測(cè)試，本文所提出的計(jì)數(shù)器可用于籃球投球訓(xùn)練、投籃比賽等場(chǎng)合，其完全解放了人力，不再需要人工手動(dòng)計(jì)數(shù)，而是全自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)球計(jì)數(shù)，還有進(jìn)球提示功能。