跳繩計(jì)數(shù)儀

作者/王熠楊，鄭州外國(guó)語新楓楊學(xué)校

跳繩計(jì)數(shù)儀

作者/王熠楊，鄭州外國(guó)語新楓楊學(xué)校

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步以及社會(huì)對(duì)于健康和運(yùn)動(dòng)的重視，再加上人們對(duì)跳繩運(yùn)動(dòng)越來越喜愛，因此對(duì)于跳繩計(jì)數(shù)有了新的要求?；诖耍驹O(shè)計(jì)制作了一款新的計(jì)數(shù)器來解決跳繩的計(jì)數(shù)問題。本設(shè)計(jì)采用激光對(duì)射傳感器進(jìn)行跳繩次數(shù)的檢測(cè)，在單片機(jī)中利用中斷的方式，簡(jiǎn)化了程序，提高了效率。利用液晶顯示器，方便高效的完成了顯示。

單片機(jī)；中斷；激光對(duì)射傳感器

緒論

現(xiàn)在的跳繩普遍具有計(jì)數(shù)功能，采用的方法都是檢測(cè)手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。計(jì)數(shù)跳繩是采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)原理，能自動(dòng)記錄跳繩次數(shù)。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，完全可以滿足日常運(yùn)動(dòng)的計(jì)數(shù)需要，極大地減少了人力計(jì)數(shù)的不便，但是該種計(jì)數(shù)方式有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，主要是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不夠精確導(dǎo)致的。為了追求計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確，紅外線計(jì)數(shù)方式應(yīng)運(yùn)而生。該種方式是利用計(jì)算激光被阻斷的次數(shù)來獲得跳繩的次數(shù)的。一次跳繩是指跳繩完整環(huán)繞身體一周的過程。采用該種方法計(jì)數(shù)誤差小、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低廉，極大地緩解了人為計(jì)數(shù)造成的誤差。但是這種計(jì)數(shù)方式也有一些不足，例如在一些情況下，由于距離的原因?qū)е绿K已經(jīng)環(huán)繞了身體一周，但是并沒有阻斷激光導(dǎo)致計(jì)數(shù)失敗。在另外一些情況下，由于跳繩材質(zhì)的問題，比如透明材料，可能起不到阻擋激光的作用。還有一種情況，在跳繩過程中由于姿勢(shì)體位等不規(guī)范，也有可能造成計(jì)數(shù)誤差。由于現(xiàn)在的升學(xué)考試中，跳繩也是一項(xiàng)考核科目，因此制作一款可靠的跳繩計(jì)數(shù)器顯得尤為重要。

1.總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)做的是一款關(guān)于跳繩計(jì)數(shù)的系統(tǒng)，需要完成精確的跳繩計(jì)數(shù)。該設(shè)計(jì)需要解決的問題分為三個(gè)方面。第一方面為跳繩的計(jì)數(shù)，第二方面為數(shù)據(jù)信息內(nèi)部的運(yùn)算，第三方面為數(shù)據(jù)的顯示。對(duì)于跳繩的計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)決定采用激光對(duì)射傳感器。對(duì)于數(shù)據(jù)信息內(nèi)部的運(yùn)算與轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)擬采用單片機(jī)完成該項(xiàng)任務(wù)。而對(duì)于數(shù)據(jù)的顯示，本設(shè)計(jì)決定采用液晶顯示器來完成。本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中激光對(duì)射傳感器用于檢測(cè)跳繩次數(shù)，并將該信息傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)接收到激光對(duì)射傳感器傳輸過來的信息后，經(jīng)過內(nèi)部處理運(yùn)算，再發(fā)送命令給液晶顯示器。液晶顯示器接收到命令后進(jìn)行顯示。

2.硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的神經(jīng)中樞，主要起著信號(hào)的接收、數(shù)據(jù)的運(yùn)算以及命令的傳送。單片機(jī)作為一種微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)為一種超大規(guī)模集成電路，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。單片機(jī)將中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、多種I/O口以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器集成在一起，這就使得單片機(jī)集信息的接收、運(yùn)算與傳送為一體，這也為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)早期的單片機(jī)只有四位或者八位，經(jīng)過近三四十年的發(fā)展，單片機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理能力已經(jīng)提高了幾百倍，高端的主頻都達(dá)到了三百多兆赫茲。目前的單片機(jī)體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、性能卓越，很適合學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)。并且，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)對(duì)于了解計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)很有幫助。目前的單片機(jī)在智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)和通信、模塊化設(shè)計(jì)、工商、金融、科研、教育和國(guó)防航空航天等多領(lǐng)域都有十分廣泛的用途。其中的AT89C51型單片機(jī)是一款在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的單片機(jī)，對(duì)于初學(xué)者是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。另一方面，其功能非常強(qiáng)大，其數(shù)據(jù)保存時(shí)間可以達(dá)到十年。功耗很低，內(nèi)部的RAM為128×8位。該單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可反復(fù)擦除的次數(shù)可以達(dá)到一千次，盡管現(xiàn)在的AT89C51已經(jīng)被AT89S51取代，但對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，還是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。

對(duì)射型傳感器由發(fā)射端發(fā)射光線，接收端接收光線。由物體經(jīng)過發(fā)射端與接收端的中間區(qū)域，將光線切斷，接收端就會(huì)輸出信號(hào)。本設(shè)計(jì)通過檢測(cè)輸出信號(hào)的次數(shù)就可以計(jì)算出跳繩的次數(shù)。對(duì)射型傳感器所基于的原理為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)，其正確的解釋由愛因斯坦提出，他也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)是指在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電?？紤]到對(duì)于跳繩檢測(cè)的準(zhǔn)確性的需要，本設(shè)計(jì)發(fā)射端發(fā)出的光擬采用激光。激光的高方向性使其在傳遞較長(zhǎng)的距離的同時(shí)，還能保證不散射。本設(shè)計(jì)的激光對(duì)射傳感器的檢測(cè)距離可達(dá)幾米至幾十米。激光對(duì)射傳感器的運(yùn)用目前也非常廣泛，在門禁、計(jì)數(shù)以及安保方面都可以遇見激光對(duì)射傳感器的身影。

液晶顯示器是一種很薄的顯示設(shè)備，主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。液晶同時(shí)具備液體與固體的性質(zhì)，在常態(tài)下呈現(xiàn)液態(tài)，但是分子排列和固體晶體一樣非常規(guī)則。這也是其名稱的由來。給液晶施加一個(gè)電場(chǎng)，其分子排列就會(huì)改變，在此時(shí)配合偏振光片，就會(huì)起到阻止光線通過的作用。通過配合彩色濾光片，并適當(dāng)?shù)母淖冸妷?，就可以改變某一顏色透光量的多少，這也是彩色液晶顯示器的原理。液晶顯示器用處非常廣泛，從最開始的數(shù)字式的手表、計(jì)算器到現(xiàn)在手機(jī)、液晶電視再到大型的顯示屏，無一不是液晶的杰作。液晶由于其厚度薄、價(jià)格低廉、顯示功能強(qiáng)大以及能耗低，越來越得到社會(huì)的青睞，得到了很好的發(fā)展。現(xiàn)如今幾乎所有的顯示設(shè)備都是液晶顯示器。并且，現(xiàn)在的液晶顯示器技術(shù)非常成熟，顯示屏的分辨率已經(jīng)能夠滿足各方面領(lǐng)域的要求。本設(shè)計(jì)采用的液晶顯示器為L(zhǎng)CD1602。該種液晶顯示器功耗低，使用壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單高效。它由32個(gè)5×7點(diǎn)陣字符位組成，可以有效的顯示字符以及數(shù)字，但對(duì)于圖畫的顯示，其效果并不夠理想。但已經(jīng)完全滿足了本設(shè)計(jì)的需要。

圖2 LCD1602

3.軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要解決的軟件方面的問題主要包括對(duì)所接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化以及液晶顯示器的顯示。對(duì)于液晶顯示器的每一個(gè)顯示字符，都對(duì)應(yīng)有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼為01000001B，換算為16進(jìn)制即為41H，顯示模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。在單片機(jī)對(duì)于信號(hào)的轉(zhuǎn)化方面，為了更加高效，本設(shè)計(jì)采用了中斷處理。中斷是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)某些意外情況需主機(jī)干預(yù)時(shí)，機(jī)器能自動(dòng)停止正在運(yùn)行的程序并轉(zhuǎn)入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續(xù)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)射傳感器傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)，在接收到高電平信號(hào)（對(duì)射傳感器檢測(cè)到物體時(shí)輸出高電平信號(hào)）后，程序進(jìn)入中斷。每進(jìn)一次中斷，液晶顯示器所顯示的數(shù)字自加一，達(dá)到計(jì)數(shù)的功能。本設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4.結(jié)論

傳統(tǒng)的跳繩計(jì)數(shù)方法存在一些計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確的弊端，而本設(shè)計(jì)通過最簡(jiǎn)單的原件，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)計(jì)數(shù)的功能，完全達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方法對(duì)于普通的跳繩運(yùn)動(dòng)是已經(jīng)完全夠用了，但對(duì)于日益發(fā)達(dá)的科技以及社會(huì)對(duì)于事物的精準(zhǔn)要求來說，傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方法還是有一些不足，對(duì)于一些測(cè)試或者活動(dòng)來說，絲毫的偏差可能就要產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。本設(shè)計(jì)的制作過程，對(duì)于了解單片機(jī)、應(yīng)用單片機(jī)起到了重要的作用，并且對(duì)于液晶以及光電效應(yīng)等，筆者又有了更深的理解。經(jīng)過詳細(xì)的分析論證，本設(shè)計(jì)是完全正確合理的。本設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅局限于跳繩計(jì)數(shù)，稍加改造還可以應(yīng)用到別的領(lǐng)域。例如在工廠的流水線上，完全可以應(yīng)用本設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)過改造，本設(shè)計(jì)還可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。此外，智能感應(yīng)門與本設(shè)計(jì)的原理也基本相同。激光對(duì)射原理在防盜領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛。相信在不久之后，本設(shè)計(jì)或者是類似于本設(shè)計(jì)的裝置將會(huì)有很大的發(fā)展。

＊ [1]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1992.

＊ [2]郭惠，吳訊.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.10.

＊ [3]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2009.1.

＊ [4]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1992.