基于单片机的高尔夫运动训练系统设计

陈 杰，赵高鹏，王向民

（南京理工大学 江苏 南京210094）

基于单片机的高尔夫运动训练系统设计

陈 杰，赵高鹏，王向民

（南京理工大学 江苏 南京210094）

为了测试准确获取高尔夫球员击球时的杆头偏角与杆头速度，提出了一种以STC12LE2052单片机为核心的高尔夫训练系统，该系统采用光电传感器采集数据，通过蓝牙模块将数据发送给上位机或者手机等终端设备。文章首先对系统工作原理进行分析，其次对系统的硬件和软件进行了分析，最终通过实际测试表明，本系统精度高，可靠性强。另外，本系统还具有小巧灵活，使用简单，且成本低的优点。

高尔夫训练系统；STC12LE2052单片机；光电传感器；蓝牙模块

随着高尔夫球运动的普及与推广，高尔夫教学和高尔夫练习方法得到众多教练与学员的关注。目前的高尔夫训练主要是针对挥杆动作和挥杆力量进行训练，而高尔夫运动员在做挥杆训练时，其挥杆击球瞬时的杆头偏角及杆头速度决定了高尔夫球飞行的方向和距离，它们是评价运动员挥杆击球动作和挥杆力量的两个关键性指标[1-3]。目前，对于杆头偏角和杆头速度测量的方法主要有图像分析和相控雷达检测等，图像分析方法是通过高速摄像机抓取击球瞬时的图片，进过图像处理技术来获取，其检测精度受到图像质量的约束[4-5]；相控雷达检测设备，如目前世界上最先进的高尔夫雷达监测设备TrackMan等，虽然精度高，但只适用于大挥杆动作，对于推杆动作，由于高尔夫球始终在地面滚动，受到球杆的遮挡等影响，无法进行检测，且这两种方法对设备要求比较高，价格昂贵，不利于推广[6-7]。文中提出了一种以STC12LE2052单片机为核心的高尔夫训练系统，该系统小巧灵活，使用简单，且具备较高的精度。

1 方案设计

1.1 系统架构

本系统主要由单片机、电源模块、光电传感器模块、232串口模块以及蓝牙模块组成。如图1所示。

图1 系统结构框图

其中，232串口模块主要用来调试和烧写程序之用；蓝牙模块用来实现数据的无线传输，将数据传给上位机进行相应的处理分析，同时可以将数据传到训练者手机上，训练者可以更方便的查看自己的挥杆击球数据；光电传感器模块就是采用8个光电开关产生8束光束，本方案采用对射型光电开关，这种传感器作用距离大，灵敏度高，抗干扰能力强；电源模块，给整个系统供电。

1.2 系统的基本原理

图2 杆头数据检测原理图

检测设备的功能就是获取训练者击球时刻的杆头速度以及击球角度，如图2所示，该装置设置8束光电光束分别为A，B，C，D，E，F，G，H，图中 L 为杆头的横截面，由于球员挥杆击球的瞬间很难做到绝对水平击球，即一定存在一个击球角度ɑ，也就是球杆杆头遮挡光束点A和B的时间是不同的，存在一个时间差，同时因为A，C或B，D之间的距离很小，杆头在A，C或B，D之间可以近似认为是匀速运动，根据杆头遮挡A，C和B，D之间的时间差可以计算出此时的杆头速度，这样就可以根据等效三角形原理计算出击球时刻的杆头角度了。

高尔夫下杆击球速度为：

击球角度分别为：

8个光束按挥杆前后时间可以分为两部分：A，B，C，D为挥杆前，利用该4束光束可以计算出击球前的杆头角度，同时根据计算出的两个角度ɑ和β可以得到击球前的杆头角度变化趋势，这样可以更充分的看出球员击球前的挥杆变化；另外4个光束E，F，G，H用来测量球员击球后的杆头数据，计算原理和前面的一样。根据击球前后的杆头数据，不仅可以知道球员击球瞬间的杆头变化，同时也可以得到速度的转化效率。

1.3 器件选择

文中所要实现的功能是采集杆头遮挡激光束的时间，由于杆头遮挡到两光束之间的时间差都是毫秒级的，另外我们最终需要的参与计算的参数是时间差，器件的响应时间并不会影响到计算的精度，所以采用1T的8位51单片机STC12LE2052，它是高速、低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，完全可满足设备的要求[8-9]。光电传感器的选择主要从功耗和作用距离以及灵敏度方面考虑，最终本文选用一款对射型激光发射接受管，其功耗低，激光管功率只有5 mW，而且接收管的接收面很小，这样可以提高设备精度[10-12]；另外，蓝牙模块选择CC2540射频芯片，其具有低功耗、高灵敏度、抗干扰能力强，外接电路简单等优势[13-15]。

2 设计实现

2.1 主要电路设计

2.1.1 发射调制和接收采集电路

如图3所示，发射的激光信号经过调制变成调制光，这样可以大大地提高传感器的抗干扰能力，消除了外界光源对传感器地干扰。接收管在照射到调制光时会使电平拉低，当光源被遮挡，引脚2的电平会升为高电平，当再次照射到光源时，通过J1连接的外部中断会得到一个下降沿信号从而产生中断，表示光源信号经过一次遮挡。

图3 发射和接收电路

2.1.2 电源模块电路

电源部分，本文采用充电电池给设备供电，本设备需要5 V和3.3 V两种电压。并且充电电池的电压并不能一直稳定在3.3 V左右，所以在电源设计上首先采用LT1930A从3.3 V升压到5 V，给激光接收管供电，然后通过LM1117-3.3将电压降到3.3 V供其他芯片使用。具体电路如图4所示。

2.1.3 蓝牙模块电路

蓝牙模块以CC2540射频芯片为核心，CC2540与蓝牙低功耗协议栈共同构成高性价比、低功耗的片上系统解决方案，非常适合蓝牙低功耗应用。其外围电路简单，外接若干个阻容器件构成的滤波电路和PCB天线即可实现无线网络节点的构建。CC2540最小系统主要由32 MHz晶振、32.768 kHz睡眠晶振、复位电路、3.3 V电源及去耦电容、射频阻抗匹配电路及单极性PCB天线组成。其外围电路如图5所示，其中ANT接PCB天线，TXD和RXD分别接51单片机的RXD和TXD。

图4 电源模块电路

图5 蓝牙模块电路

2.2 系统的软件设计

本设备要实现的功能是通过光电传感器采集击球时的杆头数据，然后将数据打包发送到上位机处理，所以软件设计的重点是如何精准的采集到杆头遮挡光束的时间数据。由于高尔夫球员在挥杆前需要先瞄准击球点，在瞄准的过程中杆头必然会遮挡击球前的4点光束，而这时并没有击球，所以要求单片机忽略掉此时遮挡的时间数据，鉴于此我们采用外部中断的方式来采集遮挡时间数据。由于STC12LE2052的外部中断只有5个，对于8个光束来说就需要采用中断加扫描I/O口电平的方式来采集数据。具体流程如图6流程图所示。

在中断服务程序中，首先根据相应的I/O口电平判断具体是哪个接收管被遮挡触发中断，然后读取产生中断的接收管的光源遮挡时间，并置遮挡标志位为1。不过在球员击球时，高尔夫球有可能会遮挡到后4个光束。如果不做处理单片机会误以为这是杆头扫过时产生的遮挡，这样就会发送错误的时间数据。经过实验，我们发现在球员击出球后，在很短的时间后杆头也会扫过后面的4束光束。所以我们可以设定一个时间阈值，在杆头扫过前4个光束后，延时一段时间，当到达设定阈值后，再发送所有时间数据。这时，存储最后4个光束时间数据的数组会被最后一次杆头扫过时的时间数据更新，具体流程如图7所示。

图6 系统主程序流程图

图7 中断服务程序流程图

2.3 系统的精度分析

系统的精度主要受到下列因素的影响：首先是传感器的响应时间的不同，会给遮挡时间的记录带来误差；其次，光电传感器的感应面积是一个带状的区域，光线可能并不是垂直照射到接收管，这样可能造成最后两个光束之间的感应距离并不是其真实距离；最后，球员挥杆击球的过程并不是一个匀速运动的过程，鉴于间距小本文近似看成是匀速运动，这也会给计算带来误差。

其中，第三个因素由于简便处理这样的误差是客观存在的，而距离误差我们可以在调试过程中尽量做到光线垂直照射到接收管上。而对于光电传感器的响应时间，在我们的实际测量中得到了图8的结果：

图8 光电传感器响应波形

由上图8可以发现，光电传感器的响应时间很短，在1～2 μs之间。这对于两个光束间毫秒级的时间间隔来说基本可以忽略；另外，本文对于角度与速度的计算是采用两点间的时间差作为基本数据的，而每一个传感器的响应时间基本都相同都在1～2 μs之间，所以这样的误差对于最后的计算的影响基本可以忽略。

3 系统测试

最终系统的测试，我们将上位机所得到的数据和用雷达方案的TrackMan的数据进行对比（TrackMan是一家将军用雷达科技转化到民用体育领域的公司，他们的测量精度在速度上可以达到+/-0.045 m/s，而角度偏差可以控制在 +/-0.5 度），本文经过对比测试得到了以下的测试结果。

表1 击球速度的精度统计表

通过表1的统计对比可以发现，在击球速度的测量上，本文的方案的精度绝大多数可以控制在92%以上。

表2 击球角度的精度统计表

从表2可以看出，对于击球角度的测量，本方案的精度保持在93%以上的也占了大多数，说明本方案可靠性较高。

4 结束语

文中提出了以光电传感器作为数据采集核心，一改以往采用雷达和图像的挥杆结果采集方案，极大的降低了高尔夫采集器的成本和计算的复杂度，同时在精度上的表现也可以满足日常训练的要求。

不过由于种种原因，本文也有一些不足之处。首先本文对于击球角度的测量只能针对于水平方向上的偏角，而对于竖直方向上的角度就不适用，后续工作可能需要加上雷达或者图像的方法作为辅助来获取竖直方向上的击球角度；其次，本文在计算过程中，处于简便考虑将很短距离内的杆头运动简化成匀速运动，这给计算带来了一定的误差，在下一步的工作中需要对杆头的运动过程进行建模，从而可以获得更准确的时间数据。

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Golf training system based on 51 MCU

CHEN Jie，ZHAO Gao-peng，WANG Xiang-min
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to test for golfers'swing speed and hit precision，a golf training system with singlechip microcomputer STC12LE2052 as the core is proposed.The system collect data through the photoelectric sensor，then the collected data is transmitted by Bluetooth module to the terminal equipment such as PC and cellphone.In this paper，the working principle of the system is analyzed，then the hardware and software of the system are designed and analyzed，finally the experimental results show that the system is reliability and high accuracy.What's more ，the system is flexible，simple to use，and have low cost.

golf training system；MCU STC12LE2052；photoelectric sensor；bluetooth module

TN99

A

1674－6236（2017）16-0125-04

2016-08-09稿件编号：201608072

上海航天科技创新基金项目（1151241057）

陈 杰（1991—），男，安徽合肥人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统，图像与视频处理。