張豪 趙鎮(zhèn) 于靖杰 宋曉峰

摘 要：針對市面單杠計數(shù)器功能單一的問題，文中設(shè)了集計數(shù)、檢測、存儲和播報功能于一身的單杠計數(shù)器，該計數(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，同時還具有安裝便利，輕巧等特點，可滿足大眾需求。

關(guān)鍵詞：單杠計數(shù)器;AT89C5l單片機;傳感器

1 單杠計數(shù)器

1.1 作品簡介

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

（1）語音報數(shù)功能。語音報告合格完成拉單杠動作的數(shù)量，若不按照標(biāo)準(zhǔn)運動則不計數(shù)，且無語音提示。機器語音報數(shù)相對于人工報數(shù)不僅更規(guī)范，同時減少了人為干擾等因素。

（2）存儲多人單杠數(shù)量。存儲多人單杠數(shù)量以進行考核測試等。存儲、讀出每個測試人員的單杠數(shù)量以示公平公正。使用光電傳感器檢測是否完全過杠更加科學(xué)公正，相比人眼觀察而言，可減少誤差與是否達標(biāo)的爭議。光電傳感器回傳達標(biāo)數(shù)據(jù)，單片機處理后進行計數(shù)統(tǒng)計并存儲。

1.2 市場前景

中學(xué)學(xué)業(yè)測試、軍隊士兵測試均有單杠考核，因此社會需求量較大，智能單杠輔助提高儀市場前景廣泛。智能檢測計數(shù)功能大大滿足了消費者的需求，既可計算拉單杠者一次拉單杠的個數(shù)，又可以科學(xué)檢測練習(xí)者是否滿足計數(shù)要求，使計數(shù)在比賽、練習(xí)和考試中更加客觀、公正。使用該儀器在團體比賽綜合計數(shù)時具有如下優(yōu)點：

（1）可存儲多項數(shù)據(jù)。方便個人進行縱向比較，得出進步或退步的結(jié)論，也可以根據(jù)記錄推斷體能高峰，從而設(shè)計出更有效、系統(tǒng)的練習(xí)方法。對于團體而言，記錄多項數(shù)據(jù)可以方便團體內(nèi)的橫向比較，為強者增添自信，為體能稍差的訓(xùn)練者起到警示和激勵的作用。

（2）擁有計數(shù)功能。通過傳感器準(zhǔn)確判斷練習(xí)者在進行單杠練習(xí)時是否能夠達到合格要求，以此矯正練習(xí)者的姿勢，起到輔助提高的作用。同時，計數(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）擁有語音播報功能。練習(xí)者在練習(xí)過程中不用特意查看即可掌握實時情況，直觀、有效。

1.3 創(chuàng)新點

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

（1）產(chǎn)品針對性強，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，對于部隊訓(xùn)練的效率提升具有現(xiàn)實意義。

（2）體積小、使用方便，可移動又可以在簡單的固定裝置下使用，相對于大型保障器材來說，具有更高的安全性，同時，無需進行專業(yè)培訓(xùn)。

（3）結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟。產(chǎn)品使用單片機開發(fā)，穩(wěn)定性好;采用光電感應(yīng)技術(shù)，精度高;可實現(xiàn)精確計數(shù)，使用壽命長;移動電源和可充電電池相結(jié)合，維護保養(yǎng)方便。

（4）價格低廉，市場前景巨大。目前市場上幾乎沒有相關(guān)器材，而引體向上又是部隊體能訓(xùn)練的基礎(chǔ)科目，需求量較大，市場寬廣。

1.4 工作原理

單杠計數(shù)器系統(tǒng)是以51單片機為核心設(shè)計，并與直射式光電傳感器相結(jié)合的自動檢測計數(shù)系統(tǒng)，具有很高的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

系統(tǒng)上安裝的紅外傳感器可檢測臉部是否到達固定高度，經(jīng)數(shù)據(jù)整形后傳送給51單片機處理，通過按鍵設(shè)置可開啟測試和查看儲存的各組單杠數(shù)量。系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)具有較好的通用性與較高的實際使用價值，針對不同型號的單片機，只需相應(yīng)改變地址即可替換使用。單片機應(yīng)用的重要意義還在于從根本上改變了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)設(shè)計方法。之前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法實現(xiàn)。軟件代替硬件的檢測技術(shù)也稱為微檢測技術(shù)，是傳統(tǒng)檢測技術(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。

本設(shè)計主要是51單片機在單杠智能輔助訓(xùn)練儀系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前的用力間隔時間。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出用力方向，還能自動儲存數(shù)據(jù)。

本次所設(shè)計的單杠智能輔助訓(xùn)練儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，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)計過程中使用的運放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。然而科技的進步勢必會使單杠智能輔助訓(xùn)練儀的功能日益強大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，會給我們的生活帶來更多方便和精彩。

2 技術(shù)路線

2.1 單杠計數(shù)器的結(jié)構(gòu)

單杠計數(shù)器是將光電傳感器作為變換原件，把采集到的檢測信息轉(zhuǎn)換為電信號，利用電子儀表進行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)由光電傳感器、信號處理模塊、單片機電路、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)換成便于測量的物理量（電壓、電流或頻率等）并輸出。

2.1.2 信號處理

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

2.1.3 單片機電路

利用單片機自身定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進行運算，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

把單片機計算處理的單杠數(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、信號處理、單片機提供電源，多選用5 V直流穩(wěn)壓電源。

2.2 圖示工作原理

本設(shè)計將單片機STC89C52作為檢測核心，實現(xiàn)單杠計數(shù)器的基本測量功能。

3 STC89C52

AT89C5l是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4 KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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存儲單元，可靈活應(yīng)用于各種檢測領(lǐng)域。

3.1 STC89C52 的特點

STC89C52具有如下特點：

（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容;

（2）4 KB可重擦寫FLASH閃速存儲器;

（3）1 000次擦寫周期;

（4）全靜態(tài)操作：0 Hz～24 MHz;

（5）三級加密程序存儲器;

（6）128*8 B內(nèi)部RAM;

（7）32個可編程I/O口線;

（8）2個16位定時/計數(shù)器;

（9）6個中斷源;

（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，驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。

（4）Pl口：P1是—個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出信號。

（5）P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流信號。

（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，每一位功能定義見表1所列。

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

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

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

（10）EA/VPP：EA=0，單片機只訪問外部程序存儲器;EA=1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。

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

（12）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

3.2.2 信號放大

經(jīng)紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率極低。為防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾除絕大部分的高頻干擾。而且單杠計數(shù)器所使用的地點無法保證是陰暗的室內(nèi)，所以要考慮強光對測量的干擾。此外，低頻信號需要經(jīng)過多倍放大和整形才能被主控模塊接受和處理。

信號轉(zhuǎn)換模塊會使用LM358運算放大器。LM358內(nèi)部包括兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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算放大器的場合。具有如下特性：

（1）具有內(nèi)部頻率補償;

（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：單電源（3～30 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一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R8，C6，C8，C9決定，運放U2A將信號放大，放大倍數(shù)由R8和RW1的比值決定。

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

3.2.4 單片機處理電路

單片機處理電路。本部分將ATMEL公司設(shè)計生產(chǎn)的STC89C52單片機作為核心，以更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進行運算，同時還可以根據(jù)實際情況編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。

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

3.2.5 顯示電路

一些小型設(shè)備或小型檢測系統(tǒng)一般由單片機組成控制系統(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，常見的數(shù)碼管有7段、8段和16段。

數(shù)碼管是8個發(fā)光二極管，以兩種方式連接，如果將其陰極連在一起，則構(gòu)成共陰數(shù)碼管;如果將其陽極連在一起，則構(gòu)成共陽數(shù)碼管。

4 軟件程序流程

系統(tǒng)主程序檢測單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)專用寄存器、定時器工作方式及各端口工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化后進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件檢測不同的子程序。

源程序略。