基于AT89C51的场地自行车起跑器控制系统设计

关天民，孙铎，轩亮

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)



基于AT89C51的场地自行车起跑器控制系统设计

关天民，孙铎，轩亮

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

为了能进行起跑专项训练来提高场地自行车比赛成绩，设计了以AT89C51单片机为主控的场地自行车起跑器控制系统，同时介绍了起跑器控制系统的整体设计思路、硬件系统和相应软件的设计.该系统结构简单、实用性强，可以测量运动员的起跑反应时间，并且可以测量运动员骑行一定距离所用时间.

AT89C51;自行车起跑器;控制系统

0 引言

如今人类的各种运动都在向极限的成绩逼近，并且逼近极限的速度越来越慢，因为现在运动成绩想要提高0.1 s、甚至0.01 s，都要付出巨大的努力.运动员要提高运动成绩，除了自身的努力与科学的训练方法以外，进行专项的训练也显得越来越重要.除此之外，对运动员的训练效果进行科学的测量，对运动员提高运动技巧也有很大帮助.

从自行车项目比赛中对运动员比赛启动阶段分析，我国运动员和国际顶尖运动员尚有0.3 s左右的差距.所以自行车项目中的起跑技术自然也就成了运动员提高运动成绩的一个潜力最大的环节.该设计为我国自行车运动员量身定做的新型训练工具.运动员通过此设计的专项训练后可掌握启动规律，将起跑时的差距减少甚至弥补，在比赛中获得更好的成绩.

1 总体构架

运动员使用起跑器进行专项训练时，为保证训练数据的准确性，需要气动阀开启时间、显示牌倒计时时间和喇叭发声时间保持同步.此外显示部分要清晰.运动员还需掌握自己的反应时间，以便在比赛时可以提前发力，缩短起跑时间.另外为了对比赛全程进行分析，还需要具备到达一定距离所用时间的测量功能.

根据以上需求，本设计需要实现的功能见表1.

表1 起跑器功能表

根据以上需要，本设计以AT89C51单片机为主控，由以下几部分组成：

(1)单片机控制模块，功能为控制各模块工作，计时，与上位机通信；

(2)发令子系统，其中包含喇叭，发令枪，显示屏以及气动装置，当接收到开始倒计时命令后，由显示屏显示倒计时，喇叭发出提示音.当倒计时间为0时，气动阀打开，同时发令枪响，训练开始.训练前利用手动按钮控制气压锁紧装置开启和闭合；

(3)反应时间检测装置，检测从发令起跑到运动员起跑的时间，即为运动员的反应时间；

(4)定长计时装置，检测运动员到赛道上任意距离所用时间；

(5)上位机模块，显示、记录训练数据.

系统整体框图如图1所示：

图1 系统整体框图

2 功能模块的设计与开发

2.1 主控模块

主控制器是核心部件，作用为控制发令子系统，测量时间，与上位机通讯，及协调各部分工作.根据系统需要，控制器采用AT89C51单片机.AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器[2].AT89C51具有128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路.此单片机成本低,稳定性好,能满足本设计要求.AT89C51引脚如图2所示， XTAL1和XTAL2为振荡器的输入输出端口，外接12 MHz晶振.机器周期为12*(1/12M)=1 us.因为我们可以知道每条指令执行的机器周期数，所以就可以确定每条指令的执行时间，并据此来进行各部分时间参数的调整.各模块之间通过RS-232接口实与AT89C51单片机的数据通信.监测数据通过数据总线上传至上位机，并由上位机进行分析处理，并且通过上位机进行时间参数设置.

图2 AT89C51引脚图

2.2 发令子系统

发令子系统包括显示屏、发令喇叭和气动系统.

(1)显示屏

显示屏采用高亮度LED制作，并有前遮光罩，确保显示清楚.主控制器的倒计时时间经RS232C通讯口传给显示屏，显示屏的控制器根据自定义通讯协议进行翻译输出，经驱动电路点亮相应的LED，显示时间[3].

(2)发令喇叭

为了保证训练数据的科学性与准确性，需要考虑到声音传播的时间，假设法令喇叭到运动员的距离有1m，则发令员的枪声到第一道运动员需要0.002 9 s(声速按340 m/s 来计算)， 为了消除声音传播对运动员成绩带来的误差，需要在后期数据中进行补偿.

(3)气动系统

气动系统的功能是夹紧自行车并在发令枪响时及时松开.设计气动系统时应考虑以下几方面问题：除了手动按钮能把夹紧气缸松开时外，由主控制器发出的发令信号也能把气缸松开.两夹紧气缸同步可调，保证自行车被夹在中间.按需要夹紧头不应转动，所以气缸杆应防转.气动系统采用日本SMC的气动元件，依据要求设计气动系统原理，如图3所示.气动按钮3控制气缸7夹紧或松开，电磁阀2和梭阀4接受发令信号后使气缸7松开，这样就能保证发令时气缸及时松开.单向节流阀6调节两气缸7同步.

图3 气动原理

在起跑时，屏幕开始显示10 s的倒计时同时提示音响起，当倒计时结束时，发出提示音的同时自行车夹紧装置松开.主控制器的倒计时时间经RS232C通讯口传给显示屏，显示屏的控制器根据自定义通讯协议进行翻译输出，经驱动电路点亮相应的LED，显示时间.发令喇叭有两种，一是提示声，另一种是枪声，分别在在倒计开始与时结束时响.显示比赛开始时间、发令声、气阀开启时间同步是研制起跑器的关键.

2.3 反应时间检测装置

反应时间检测装置作用为测量运动员的反应时间，它是自行车夹紧装置后面的一个高速光电传感器，枪响时自行车夹紧装置同时松开，当自行车产生位移时，光电传感器发信给主控制器，主控制器计算出发令枪响与自行车产生位移时的时间差，精度可达1 ms.

2.4 定长计时装置

定长计时装置用于记录从起跑到任意设定距离所用时间.共有四个检测计时通道，可在赛道布置四个检测点，如果是环形赛道，每个检测点可测量多次.所有的检测结果由主控制器通过RS232C上传给上位机，进行分析和长期保存.每个检测点由一个TCRT5000 红外反射式光电传感器及一个无线发射装置组成，由3.7 V锂电池供电.本系统采用RF4432PRO模块传输数据.RF4432PRO模块采用的是Silicon Lab Si4432器件，这是一款高度集成的无线ISM频段收发芯片.当光电传感器运动员通过检测点时，无线发射模块产生无线电波，控制器的外围无线接收装置接收无线信号，并形成外部中断源，控制器响应中断，计算并记录时间并上传到上位机.考虑到赛道布线的范围比较大，距离比较长，无线通信比较容易受外界的干扰，因此无线通信子系统的设计时，要求系统具有较高的可靠性.

2.5 上位机模块

上位机模块用于显示与记录运动员训练数据，通过总线将训练信息传至上位机，由上位机显示与分析储存[6].同时控制系统的时间参数也通过上位机设置.上位机程序在LabVIEW中实现.LabVIEW可以使用mscomm控件或者VISA来进行串口通信，但是mscomm控件编程复杂，所以本设计中使用VISA.VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口(API)，它本身并不具有仪器编程能力，而是为用户提供了一套独立的可方便调用的标准I/O底层函数.

在LabVIEW中使用的visa，首先要配置 VISA串口，设定波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、等参数，将VISA资源名称指定的串口按特定设置初始化，程序界面如图4所示.

(a) 设置界面

(b) 训练测试界面

3 单片机程序设计

软件是控制系统的重要组成部分之一.首先绘制出基本的程序执行流程，按启动键后，倒计时开始，倒计时结束的同时发令声响、夹紧气缸松开、绿灯亮，同时开始计时.自行车离开起跑器时触发外部中断，计算出反应时间并储存在数据寄存器.

当自行车依次通过4个计时点时，分别触发另4个外部中断，同样计算出时间，并保存在寄存器中，当骑行到达终点时，程序自动结束.也可再按启动按钮，强制程序结束.程序用C语言编写，程序流程图如图5所示.

4 结论

本文以AT89C51单片机为主控对自行车起跑器控制系统进行设计.在设计与开发中遵照模块化思想，提高各模块的独立性的同时又降低模块之间的数据依赖，所以该系统结构简洁，运行稳定，利于使用与维护.该系统实现了测量运动员的反应时间以及骑行一定距离所用时间等功能.可以让运动员进行专项的起跑训练，提高比赛成绩.

图5 程序流程图

[1]龚淑雯.研究径赛起点信号处理系统的开发[J].信息与电脑 (理论版),2012(4):44-45.

[2]李朝青.PC机与单片机&DSP数据通信技术选编(3)[M].北京:北京航空航天大学出版,2004:56-120.

[3]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版,2006:89-152.

[4]李非.径赛起点信号处理系统开发[D].保定：河北农业大学,2008.

[5]扬森.电子设计自动化手册[M]. 北京:电子工业出版社,2005:18-110.

[6]李朝青.PC机与单片机&DSP数据通信技术选编(3)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:56-120.

[7]沙占友,王彦明,孟志永.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2003：5-132.

Design of Cycling Track Starting Block Control System based on AT89C51

GUAN Tianmin,SUN Duo,XUAN Liang

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

In order to conduct a special starting training to improve track cycling competition results, a control system of the track cycling starting blocks is designed using microcontroller AT89C51 as the master. The control system of the starting blocks overall design concept, hardware and corresponding software design is describes. The system is simple, practical and can measure the athlete starting reaction time and the time span of bicycing.

AT89C51; bicycle starting blocks; control system

1673- 9590(2016)03- 0036- 04

2015-06-25

大连市科技计划资助项目(2014A11CX043)

关天民(1963-)，男，教授，博士，主要从事新型摆线轮传动、先进运动与康复器械、人机工程的研究E- mail:gtm@djtu.edu.cn.

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