單杠計(jì)數(shù)器

張豪 趙鎮(zhèn) 于靖杰 宋曉峰

摘 要：針對(duì)市面單杠計(jì)數(shù)器功能單一的問(wèn)題，文中設(shè)了集計(jì)數(shù)、檢測(cè)、存儲(chǔ)和播報(bào)功能于一身的單杠計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器基于傳感器原理、STC89C52技術(shù)研制而成，應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)用范圍較大，同時(shí)還具有安裝便利，輕巧等特點(diǎn)，可滿足大眾需求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)胃苡?jì)數(shù)器;AT89C5l單片機(jī);傳感器

1 單杠計(jì)數(shù)器

1.1 作品簡(jiǎn)介

單杠計(jì)數(shù)器用于記錄使用人員的拉單杠數(shù)量。本產(chǎn)品基于51單片機(jī)研發(fā)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)拉單杠是否合格。本產(chǎn)品具有如下功能：

（1）語(yǔ)音報(bào)數(shù)功能。語(yǔ)音報(bào)告合格完成拉單杠動(dòng)作的數(shù)量，若不按照標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)則不計(jì)數(shù)，且無(wú)語(yǔ)音提示。機(jī)器語(yǔ)音報(bào)數(shù)相對(duì)于人工報(bào)數(shù)不僅更規(guī)范，同時(shí)減少了人為干擾等因素。

（2）存儲(chǔ)多人單杠數(shù)量。存儲(chǔ)多人單杠數(shù)量以進(jìn)行考核測(cè)試等。存儲(chǔ)、讀出每個(gè)測(cè)試人員的單杠數(shù)量以示公平公正。使用光電傳感器檢測(cè)是否完全過(guò)杠更加科學(xué)公正，相比人眼觀察而言，可減少誤差與是否達(dá)標(biāo)的爭(zhēng)議。光電傳感器回傳達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)，單片機(jī)處理后進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)。

1.2 市場(chǎng)前景

中學(xué)學(xué)業(yè)測(cè)試、軍隊(duì)士兵測(cè)試均有單杠考核，因此社會(huì)需求量較大，智能單杠輔助提高儀市場(chǎng)前景廣泛。智能檢測(cè)計(jì)數(shù)功能大大滿足了消費(fèi)者的需求，既可計(jì)算拉單杠者一次拉單杠的個(gè)數(shù)，又可以科學(xué)檢測(cè)練習(xí)者是否滿足計(jì)數(shù)要求，使計(jì)數(shù)在比賽、練習(xí)和考試中更加客觀、公正。使用該儀器在團(tuán)體比賽綜合計(jì)數(shù)時(shí)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可存儲(chǔ)多項(xiàng)數(shù)據(jù)。方便個(gè)人進(jìn)行縱向比較，得出進(jìn)步或退步的結(jié)論，也可以根據(jù)記錄推斷體能高峰，從而設(shè)計(jì)出更有效、系統(tǒng)的練習(xí)方法。對(duì)于團(tuán)體而言，記錄多項(xiàng)數(shù)據(jù)可以方便團(tuán)體內(nèi)的橫向比較，為強(qiáng)者增添自信，為體能稍差的訓(xùn)練者起到警示和激勵(lì)的作用。

（2）擁有計(jì)數(shù)功能。通過(guò)傳感器準(zhǔn)確判斷練習(xí)者在進(jìn)行單杠練習(xí)時(shí)是否能夠達(dá)到合格要求，以此矯正練習(xí)者的姿勢(shì)，起到輔助提高的作用。同時(shí)，計(jì)數(shù)器還具有顯示提醒功能，幫助練習(xí)者做到心中有數(shù)。

（3）擁有語(yǔ)音播報(bào)功能。練習(xí)者在練習(xí)過(guò)程中不用特意查看即可掌握實(shí)時(shí)情況，直觀、有效。

1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

現(xiàn)階段，計(jì)數(shù)器應(yīng)用范圍廣泛，而用于引體向上訓(xùn)練的單杠計(jì)數(shù)器卻未曾在市場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)。本產(chǎn)品具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）產(chǎn)品針對(duì)性強(qiáng)，可優(yōu)化引體向上訓(xùn)練中的人力物力分配，減少后勤保障壓力，對(duì)于部隊(duì)訓(xùn)練的效率提升具有現(xiàn)實(shí)意義。

（2）體積小、使用方便，可移動(dòng)又可以在簡(jiǎn)單的固定裝置下使用，相對(duì)于大型保障器材來(lái)說(shuō)，具有更高的安全性，同時(shí)，無(wú)需進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟。產(chǎn)品使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)，穩(wěn)定性好;采用光電感應(yīng)技術(shù)，精度高;可實(shí)現(xiàn)精確計(jì)數(shù)，使用壽命長(zhǎng);移動(dòng)電源和可充電電池相結(jié)合，維護(hù)保養(yǎng)方便。

（4）價(jià)格低廉，市場(chǎng)前景巨大。目前市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有相關(guān)器材，而引體向上又是部隊(duì)體能訓(xùn)練的基礎(chǔ)科目，需求量較大，市場(chǎng)寬廣。

1.4 工作原理

單杠計(jì)數(shù)器系統(tǒng)是以51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)，并與直射式光電傳感器相結(jié)合的自動(dòng)檢測(cè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

系統(tǒng)上安裝的紅外傳感器可檢測(cè)臉部是否到達(dá)固定高度，經(jīng)數(shù)據(jù)整形后傳送給51單片機(jī)處理，通過(guò)按鍵設(shè)置可開(kāi)啟測(cè)試和查看儲(chǔ)存的各組單杠數(shù)量。系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)具有較好的通用性與較高的實(shí)際使用價(jià)值，針對(duì)不同型號(hào)的單片機(jī)，只需相應(yīng)改變地址即可替換使用。單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于從根本上改變了傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。之前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)。軟件代替硬件的檢測(cè)技術(shù)也稱(chēng)為微檢測(cè)技術(shù)，是傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的一次革命。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，51系列單片機(jī)繼承和發(fā)展了MCS-51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢(shì)。

本設(shè)計(jì)主要是51單片機(jī)在單杠智能輔助訓(xùn)練儀系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷獲取，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前的用力間隔時(shí)間。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出用力方向，還能自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

本次所設(shè)計(jì)的單杠智能輔助訓(xùn)練儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。由于時(shí)間比較短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)練，電路板不夠美觀，壓力傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。然而科技的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)使單杠智能輔助訓(xùn)練儀的功能日益強(qiáng)大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，會(huì)給我們的生活帶來(lái)更多方便和精彩。

2 技術(shù)路線

2.1 單杠計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)

單杠計(jì)數(shù)器是將光電傳感器作為變換原件，把采集到的檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用電子儀表進(jìn)行測(cè)量和顯示的裝置。本系統(tǒng)由光電傳感器、信號(hào)處理模塊、單片機(jī)電路、數(shù)碼管、電源等組成。

2.1.1 光電傳感器

光電傳感器是將非電量（紅外光）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系（通常是線性關(guān)系）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量（電壓、電流或頻率等）并輸出。

2.1.2 信號(hào)處理

該部分是處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路（包括放大、濾波、整形等）。

2.1.3 單片機(jī)電路

利用單片機(jī)自身定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對(duì)輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算，得出心率（包括STC89C52、外部晶振、外部中斷等）。

2.1.4 數(shù)碼管顯示

把單片機(jī)計(jì)算處理的單杠數(shù)量用數(shù)碼管顯示，便于直接觀察。

2.1.5 電源

該部分向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供電源，多選用5 V直流穩(wěn)壓電源。

2.2 圖示工作原理

本設(shè)計(jì)將單片機(jī)STC89C52作為檢測(cè)核心，實(shí)現(xiàn)單杠計(jì)數(shù)器的基本測(cè)量功能。

3 STC89C52

AT89C5l是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4 KB可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲(chǔ)單元，可靈活應(yīng)用于各種檢測(cè)領(lǐng)域。

3.1 STC89C52 的特點(diǎn)

STC89C52具有如下特點(diǎn)：

（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容;

（2）4 KB可重擦寫(xiě)FLASH閃速存儲(chǔ)器;

（3）1 000次擦寫(xiě)周期;

（4）全靜態(tài)操作：0 Hz～24 MHz;

（5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器;

（6）128*8 B內(nèi)部RAM;

（7）32個(gè)可編程I/O口線;

（8）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;

（9）6個(gè)中斷源;

（10）可編程串行UART通道;

（11）低功耗空閑和掉電模式。

3.2 STC89C52 的結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計(jì)所使用的STC89C52 的封裝形式為DIP40。

3.2.1 引腳功能

引腳具有如下功能：

（1）VCC：電源電壓。

（2）GND：接地。

（3）P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。

（4）Pl口：P1是—個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出信號(hào)。

（5）P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流信號(hào)。

（6）P3口：既可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備，又可以作為第二功能使用，每一位功能定義見(jiàn)表1所列。

（7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平后將使單片機(jī)復(fù)位。

（8）ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩器頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)。

（9）PSEN：程序存儲(chǔ)允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令或數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)均不出現(xiàn)。

（10）EA/VPP：EA=0，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器;EA=1，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。

（11）XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

（12）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

3.2.2 信號(hào)放大

經(jīng)紅外檢測(cè)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率極低。為防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而使檢測(cè)結(jié)果有誤，信號(hào)就必須先進(jìn)行低通濾波，以便濾除絕大部分的高頻干擾。而且單杠計(jì)數(shù)器所使用的地點(diǎn)無(wú)法保證是陰暗的室內(nèi)，所以要考慮強(qiáng)光對(duì)測(cè)量的干擾。此外，低頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)多倍放大和整形才能被主控模塊接受和處理。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊會(huì)使用LM358運(yùn)算放大器。LM358內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。其使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。具有如下特性：

（1）具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償;

（2）直流電壓增益高（約100 dB）;

（3）單位增益頻帶寬（約1 MHz）;

（4）電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫矗?～30 V）;

（5）雙電源（±1.5～±15 V）;

（6）低功耗電流，適合電池供電;

（7）低輸入偏流;

（8）低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流;

（9）共模輸入電壓范圍寬，包括接地;

（10）差模輸入電壓范圍寬，同電源電壓范圍;

（11）輸出電壓擺幅大（0～VCC-1.5 V）。

3.2.3 放大電路

低通放大電路。RW1，C6，C8，C9組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R8，C6，C8，C9決定，運(yùn)放U2A將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R8和RW1的比值決定。

波形整形電路。U2B是一個(gè)電壓比較器，在電壓比較器的負(fù)向電壓輸入端通過(guò)R9，R10分壓得到2.5 V基準(zhǔn)電壓，放大后的信號(hào)通過(guò)C7電容耦合進(jìn)入比較器，當(dāng)輸入電壓低于2.5 V時(shí)，U2B的第七引腳輸出高電平，發(fā)光二極管D2亮，并且單片行參與運(yùn)算處理，反之輸出低電平，發(fā)光二級(jí)滅。

3.2.4 單片機(jī)處理電路

單片機(jī)處理電路。本部分將ATMEL公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為核心，以更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。

來(lái)自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)STC89C52的/INTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，通過(guò)P0口檢測(cè)液晶顯示。

3.2.5 顯示電路

一些小型設(shè)備或小型檢測(cè)系統(tǒng)一般由單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，為了降低成本，這些小型系統(tǒng)中的顯示一般由數(shù)碼管（LED）組成，常見(jiàn)的數(shù)碼管有7段、8段和16段。

數(shù)碼管是8個(gè)發(fā)光二極管，以?xún)煞N方式連接，如果將其陰極連在一起，則構(gòu)成共陰數(shù)碼管;如果將其陽(yáng)極連在一起，則構(gòu)成共陽(yáng)數(shù)碼管。

4 軟件程序流程

系統(tǒng)主程序檢測(cè)單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專(zhuān)用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化后進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件檢測(cè)不同的子程序。

源程序略。