基于STM832單片機(jī)兒童智能籃球架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：文章介紹了采用單片機(jī)STM32F103C8T6為主控模塊，使用光電傳感器、壓力傳感器、LED燈等設(shè)計(jì)外圍電路，制作一個(gè)具有智能化、多功能、多玩法、安全可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)的智能籃球架。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；智能籃球架；傳感器；兒童玩具

隨著電子信息技術(shù)的不斷革新，目前的國內(nèi)外玩具已經(jīng)集光、機(jī)、電等為一體。對目前國內(nèi)外兒童玩具市場、兒童籃球架市場分別進(jìn)行了詳細(xì)分析和論證，在了解目前玩具行業(yè)市場、籃球架行業(yè)市場細(xì)分情況下，作者設(shè)計(jì)了一款面向兒童的智能籃球架。其主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以單片機(jī)STM32F103C8T6、光電傳感器、壓力傳感器等為硬件基礎(chǔ)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)籃球架的定時(shí)與非定時(shí)投籃、定點(diǎn)與非定點(diǎn)投籃等各種功能。研制出來的籃球架樣機(jī)符合要求，設(shè)計(jì)思路可行。

1 硬件設(shè)計(jì)部分

1.1 主控模塊設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM？誖 CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。STM32F103C8T6芯片功耗低、成本較低、性能好，能充分地實(shí)現(xiàn)智能籃球架的功能，同時(shí)也方便以后對智能籃球架的升級與改良。

1.2 籃球感應(yīng)器模塊設(shè)計(jì)

智能籃球架使用光電傳感器M18光電開關(guān)來檢測籃球是否投中籃筐。M18光電開關(guān)采用紅外線檢測，為漫反射型檢測方式，供電電壓為DC 10-30V，檢測距離30CM內(nèi)可調(diào)。在籃筐上下5CM處分別安裝兩個(gè)M18光電開關(guān)，通過軟件編程使得當(dāng)兩個(gè)傳感器一次檢測到籃球時(shí)，記錄進(jìn)一球，亮一盞指示燈，借此來檢測籃球是否投中，這樣的設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證，進(jìn)球準(zhǔn)確率接近100%，傳感器實(shí)物圖如圖1。

1.3 相關(guān)LED燈模塊設(shè)計(jì)

智能籃球架中的LED燈模塊包括進(jìn)球指示燈、進(jìn)度條指示燈、大獎(jiǎng)走馬燈三部分。進(jìn)球指示燈采用單個(gè)引腳接通一個(gè)LED燈，當(dāng)進(jìn)一顆球時(shí)，對應(yīng)點(diǎn)亮一個(gè)燈；進(jìn)度條指示燈同樣采用一個(gè)引腳接一個(gè)LED燈，通過程序設(shè)計(jì)在一定時(shí)間內(nèi)點(diǎn)亮一個(gè)燈，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把所有燈點(diǎn)亮?xí)r表示時(shí)間已到；大獎(jiǎng)走馬燈采用LED3528彩色燈帶，由于需要5v驅(qū)動，通過一個(gè)三極管起到開關(guān)作用。彩帶一端接地，在PB5引腳被拉高時(shí)，三極管導(dǎo)通，彩帶燈滅。同理引腳拉地時(shí)彩帶燈亮起來。其中跑馬燈由兩部分組成。一部分是控制器部分，另一部分是燈帶部分。走馬燈電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2，LED燈模塊總體布置如圖3。

1.4 壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)

智能籃球架能設(shè)置定點(diǎn)投籃與非定點(diǎn)投籃模式。當(dāng)設(shè)置定點(diǎn)投籃模式，采用XGZP系列壓力傳感器檢測壓力，當(dāng)傳感器檢測到有壓力產(chǎn)生時(shí)，引腳輸出0.5-4.5v電壓值，通過主控模塊PB1腳采集數(shù)據(jù)并判斷是否產(chǎn)生壓力，以此來判斷投籃進(jìn)球是否有效，若PB1腳采集不到0.5-4.5v的電壓值，即使投中也視為沒有投中。

2 軟件設(shè)計(jì)部分

智能籃球架使用STM32單片機(jī)作為主控模塊，采用C語言進(jìn)行編程。在主程序中，程序初始化后會先進(jìn)行智能籃球架玩法的模式選擇（模式0是非定時(shí)非定點(diǎn)模式，1是定時(shí)非定點(diǎn)，2是定點(diǎn)非定時(shí)，3是定時(shí)定點(diǎn)），然后根據(jù)選擇的模式再進(jìn)入對應(yīng)模式的子程序模塊，開始投籃進(jìn)球檢測，直到通過按鍵（重啟，關(guān)機(jī)或使用新模式）退出為止。以模式0即非定時(shí)非定點(diǎn)模式為例，選擇模式0進(jìn)入非定時(shí)非定點(diǎn)模式的子程序模塊后，首先進(jìn)行中斷等程序初始化，接著通過兩個(gè)光電傳感器使用兩個(gè)外部中斷檢測籃球，當(dāng)兩個(gè)傳感器依次檢測到籃球，會分別輸出十幾伏特的電壓，這個(gè)電壓信號經(jīng)過三極管電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，輸出低電平。當(dāng)單片機(jī)引腳接收到該低電平信號，程序會點(diǎn)亮一盞LED指示燈，并將進(jìn)球數(shù)加1，當(dāng)進(jìn)球數(shù)滿5時(shí)，通過程序把進(jìn)球數(shù)清0，并讓大獎(jiǎng)走馬燈亮5秒，然后回到初始狀態(tài)，直到通過按鍵（重啟，關(guān)機(jī)或使用新模式）退出為止，如圖4為非定時(shí)非定點(diǎn)模式子程序流程圖。

3 軟硬件調(diào)試部分

3.1 調(diào)試中需要注意的問題

第一，關(guān)于傳感器檢測籃球的感應(yīng)距離調(diào)試問題：當(dāng)需要使用較小的籃球投籃時(shí)，為了保證能準(zhǔn)確地感應(yīng)到籃球是否投中，必須將傳感器的感應(yīng)距離調(diào)的更大；第二，關(guān)于傳感器檢測程序的調(diào)試問題：判斷到進(jìn)球需要兩個(gè)傳感器都感應(yīng)到籃球，而且籃筐上面的傳感器先感應(yīng)到籃球，下面的后感應(yīng)到籃球，所以寫程序時(shí)需要先判斷上面的傳感器發(fā)給單片機(jī)的信號，并用一個(gè)變量保存，再處理下面?zhèn)鞲衅靼l(fā)的信號，且對保存的信號進(jìn)行判斷。

3.2 關(guān)于對進(jìn)球準(zhǔn)確率的研究

為了研究用不同直徑的籃球和不同的傳感器感應(yīng)距離對主控芯片判斷進(jìn)球的準(zhǔn)確率的影響，在傳感器感應(yīng)距離為10cm、20cm、30cm的3種情況下，分別使用直徑為18cm、15cm、10cm、7cm的4種大小的籃球?qū)?shí)驗(yàn)樣機(jī)各進(jìn)行200次投籃，并且分別統(tǒng)計(jì)該12種情況下，200次投籃中實(shí)際投中的進(jìn)球數(shù)b和200次投籃中主控芯片判斷的有效進(jìn)球數(shù)c，最后分別計(jì)算主控芯片在200次投籃中對進(jìn)球判斷的準(zhǔn)確率a（a=c/b），得出的研究結(jié)果如表1和圖5所示，從結(jié)果可以看出在保證準(zhǔn)確率和節(jié)省供電的要求下，在使用本智能籃球架時(shí)，建議設(shè)置感應(yīng)距離為20cm左右，并采用直徑為10～15cm的籃球比較合適。

4 結(jié)束語

該智能籃球架功能齊全、玩法多樣、安全可靠、成本低廉，其功能、玩法、外觀都是面向兒童而設(shè)計(jì)，而且采用的電子元器件是是市場上常見的、性價(jià)比好的。經(jīng)過測試樣機(jī)，證明設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法可行，符合預(yù)期要求。而今后，作者還會從功能、功耗、成本等方面對籃球架進(jìn)行改進(jìn)和完善，使該智能籃球架更物美價(jià)廉。

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作者簡介：陳錦泉（1994-），男，漢族，廣東中山人，通信工程專業(yè)本科生，主要從事電子信息技術(shù)的應(yīng)用研究。