一种基于超声波及无线传输的计圈装置的设计

江苏联合职业技术学院南京工程分院电子工程系 郭星辰

为了满足中长跑比赛项目对于计圈准确性的要求,降低人为因素带来的误差,设计开发一种基于超声波及无线传输技术的长跑计圈装置。介绍了计圈原理、计圈装置的硬件构成及软件开发等内容。计圈装置采用主从结构,处理器为STC12C5A60S2单片机,超声波作为信号触发手段,主从机数据传输通过nRF24L01完成,主从机均具有人机交互功能。性能稳定,计圈可靠,具有实际应用和推广价值。

0 引言

在田径运动场内举行的中长跑比赛项目中,由于比赛总距离较长,需要对运动员绕场地跑行的圈数作记录,即计圈,以计圈的圈数判定运动员的有效成绩。传统比赛通常采用人工计数方式,费时费力,也有采用计分板等辅助工具进行,但计数方法依然繁琐且易出错,难以准确反映运动员的比赛数据,甚至影响比赛结果的评判[1]。目前市场上也有部分电子计圈设备,通过在跑道起点设置红外线或者无线电收发装置,当运动员经过时自动记录,但现有设备往往精度较低,且易受干扰,当有无关人员经过设备时会扰乱计数,且当多名运动员经过时难以对每个运动员分别进行准确记录,实际应用和推广价值很低。

为解决现有计圈方式存在的不足,本文提出一种采用超声波传感器和无线收发模块相结合的长跑计圈装置,能够对参与比赛的运动员跑步圈数及跑步时间进行准确计数和记录。超声波是一种机械波,由电压对换能片的激励所产生,在液体、固体等介质中具有穿透作用,振动频率高于声波频率[2]。因其频率高、波长短、绕射现象小,可以定向传播,非常适合放置在起点处,作为信号触发手段。将超声波传感器应用于比赛计圈工作中,可有效克服现有计圈设备存在的各种缺陷,达到准确定位和实施记录的效果。

1 计圈原理

计圈装置由主机和若干分机组成,其中主机放置于跑道起点内侧,由工作人员操作,起点处设置超声波感应区。分机佩戴于运动员手臂上,每台分机对应一位运动员,每台分机具有超声波接收装置。运动员每次经过起点的超声波感应区后,分机触发一次,记录一圈及时间,同时通过无线数据传输将圈数及当前时间传送给主机。主机采用防水处理,同时分机采用防水、减震处理,增强雨天应用效果,同时降低运动员摔倒造成设备损坏几率。计圈如图1所示。

图1 计圈示意图Fig.1 Schematic diagram of circle counting

2 主从机总体设计

主机包括主机控制模块、液晶显示模块、超声波发射模块、主机无线传输模块、电压转换模块以及设置模块,其中主机控制模块的数据输入/输出端分别与液晶显示模块、超声波发射模块、主机无线传感模块以及设置模块的数据输出/输入端相连接,主机控制模块内部的供电模块的电输出端通过电压转换模块连接主机无线传感模块的电输入端。主机结构框图如图2所示。

图2 主机结构框图Fig.2 Frame diagram of host structure

分机包括分机控制模块、数码管显示模块、超声波接收模块、分机无线传感模块以及电压转换模块,其中分机控制模块的数据输入/输出端分别与数码管显示模块、超声波接收模块和分机无线传感模块的数据输出/输入端相连接,分机控制模块内部的供电模块的电输出端通过电压转换模块连接分机无线传感模块的电输入端。分机结构框图如图3所示。

图3 分机结构框图Fig.3 Unit structure block diagram

所述的主机盒和分机盒均采用ABS防水塑料材质,并进行防水密封处理,避免工作时内部设备被雨水或汗水浸泡而故障;同时分机盒内部还垫有减震材料,如海绵内衬或橡胶块等,以保证分机在跑步过程中不慎掉落时,内部各模块组件依然能够维持正常运行。

3 硬件电路设计

3.1 主从机控制模块

计圈装置采用主从结构,主机及各分机均采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。该型号单片机是单时钟/机器周期(1T)、高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码与传统8051完全兼容,但速度快8～12倍[3]。工作电压5.5V～3.3V,内置专用复位电路、独立波特率发生器、2路PWM、8路高速10位A/D转换等功能。STC12C5A60S2最小系统电路如图4所示。

图4 STC12C5A60S2最小系统电路Fig.4 STC12C5A60S2 minimum system circuit

3.2 无线传输模块

nRF24L01无线传输模块是Nordic公司产品,具有快速切换和唤醒能力,时间约为130us,数据传输速率提升至2MB/s,工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。nRF24L01集成度很高,内部包括了功率放大器、频率合成器等功能。另外,该模块融入了增强型ShockBurST技术,外部电路比较简单,可通过程序对输出功率和通信频道进行设置,同时功耗极低,接收时工作电流只有12.3mA,以-6dBm的功率发射时,工作电流只有9mA[4-5]。nRF24 L01无线传输模块电路如图5所示。

图5 nRF24L01无线传输电路Fig.5 nRF24L01 wireless transmission circuit

nRF24L01主要有四种工作模式,由PWR_UP register寄存器、PRIM_RX register寄存器决定nRF24L01工作于何种模式。四种具体工作模式分别为收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。本文针对Enhanced ShockBurst TM收发模式进行介绍,该模式也是计圈装置所采用的模式。在Enhanced ShockBurstTM收发模式下,使用片上FIFO,数据从微控制器以低速送入,但以高速传输。因此,低速微控制器也可以获得较高的数据传输速率。所有高速信号处理均在芯片上进行,具有节能、系统成本低、抗干扰能力强等优点。此外,nRF24L01在接收数据和发送数据时,还具有自动去除和添加字头和CRC校验码的功能。

3.3 电压转换模块

AMS1117-3.3是一种正向低压降稳压器,可以输出3.3V电压,从左至右依次是输入、接地、输出。C7和C8是输出滤波电容,作用是抑制自激振荡,C5和C6是输入电容,作用是防止断电后出现电压倒置。AMS1117的片上微调可以把基准电压控制在1.5%的误差以内,同时电流限制也得到了调整,尽量降低因电源电路和稳压器超载造成的压力。电压转换模块电路如图6所示。

图6 电压转换模块电路Fig.6 Voltage conversion module circuit

3.4 超声波收发模块

所述超声波发射模块和超声波接收模块采用型号为EU1640BCH的16MM超声波防水型分体40KHz传感器测距探头,标称频率40KHz,发射声压≥110dB,接收灵敏度≥-75dB,静电容量1800±30%,探测距离3m左右。该模块是一对多模块,为了增强超声波感应效果,可以将多个超声波模块并联到一起扩大超声波感应区域[6]。

图9 主机工作流程 Fig.9 Host workflow

图10 分机X工作流程Fig.10 Extension X workflow

(1)超声波发射电路。超声波发射电路主要由9012三极管和超声波发射换能器构成,9012在这里起到开关作用。单片机端口输出的40kHz的方波信号经9012送到超声波换能器的一个电极,从而激励换能器发射超声波。LED发光二极管用于电路正常工作提示作用。超声波发射电路如图7所示。

图7 超声波发射电路Fig.7 Ultrasonic transmitter circuit

(2)超声波接收电路。因为接收到的超声波信号很弱,所以需要放大。超声信号由Q2和Q3两级放大器放大,每级放大器放大约70倍。放大后的信号通过检波电路解调,即解调成几个较大的脉冲波。这里使用N4148检波二极管,输出的直流信号是2和D3之间的电容电压。超声波接收电路如图8所示。

图8 超声波接收电路Fig.8 Ultrasonic receiving circuit

3.5 LCD显示模块

LCD显示模块采用LCD12864液晶屏,与主机控制器相连,主要用于显示设置参数、系统状态、分机信息、记录数据等。

3.6 数码管显示模块

数码管显示模块采用0.36寸四位一体共阴极数码管,与分机控制器相连,主要方便运动员观察跑步圈数、跑步时间等数据,与主机控制器信息同步。

3.7 设置模块

设置模块用于设置系统运行的参数,包括复位按键、选择按键、确定按键、设置按键;其中复位按键用于开机后的所有参数复位或者记录一个轮次后的数据复位;设置按键用于进入设置状态;选择按键用于选择某一个分机ON或者OFF;确定按键用于在设置状态中确认设置的分机状态后进入工作状态,或者在工作状态中开启计圈。

4 软件设计

本设计采用Keil uVision5开发环境,使用C语言编写应用程序,由主机程序和分机程序组成。主机程序主要包括液晶显示程序、设置程序、数据采集程序、超声波发射程序、无线传输程序等。分机程序主要包括数码管显示程序、超声波接收程序、数据记录程序、无线传输程序等。鉴于篇幅限制,本文只针对无线传输部分软件编写作介绍。

4.1 无线传输配置

nRF24L01共有30字节配置字,所有配置均通过SPI完成。Enhanced ShockBurstTM的配置字可以分为数据宽度、地址宽度、地址、CRC四个部分,程序编写更加简单,稳定性也更好。数据宽度声明数据所占用的位数,使nRF24L01能够区分数据和CRC校验码。地址宽度声明地址所占用的比特数,使nRF24L01能够区分地址和数据。地址为接收数据的地址,包括0～5通道的地址。CRC使能nRF24L01生成CRC校验码和解码,使用片上CRC校验时,确保配置字中启用了CRC校验,且发送和接收使用相同的协议。

4.2 Enhanced ShockBurstTM发射流程

具体发射流程为:(1)将接收机地址和数据按时序送入nRF24L01;(2)配置CONFIG寄存器,工作模式为发送模式;(3)微控制器将CE端置高至少10us时间,并激活nRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM发射;(4)Enhanced ShockBurstTM发射。

4.3 Enhanced ShockBurstTM接收流程

具体接收流程为:(1)配置本地地址和接收的数据包大小;(2)配置CONFIG寄存器为接收模式,CE设置为高;(3)130us后nRF24L01进入监视状态,等待接收数据包;(4)当接收到正确的数据包时,nRF24L01自动去除字头、地址和CRC校验位;(5)nRF24L01将STATUS寄存器中RX_DR置位,以此通知STC12控制器;(6)微控制器从NewMsg_ RF2401读取数据;(7)读取所有数据后清除STATUS寄存器。

4.4 主机及分机流程图

主机流程图如图9所示,分机流程图如图10所示。

5 结语

本文结合中长跑比赛项目的需要,设计开发计圈装置。硬件方面主要完成了超声波收发电路、无线传输电路、LCD及数码管显示电路等,软件方面完成了主从机程序设计,实现了信号触发、计圈、数据传输等功能。系统测试表明,该计圈装置性能稳定,计圈准确,大大降低了人为计圈带来的误差。后续研究中,还需在智能化、轻便化方面深入研究,加入运动参数等分析功能,提升计圈装置应用体验。

引用

[1] 薛宇,刘宝刚,郭旗.基于物联网的智能跑步计圈系统设计[J].延安大学学报(自然科学版),2019(1):112-115.

[2] 康忠雄,程望斌,许婷,等.超声波料位仪的设计与研究[J].电子技术,2015(12):38-40.

[3] 王灿.水下航行体姿态控制力矩陀螺群的控制系统设计与研究[D].武汉:华中科技大学,2015.

[4] 陈国童,邱兴阳.基于nRF24L01的无线LED点阵实时显示控制系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2020(2):17-20.

[5] 陈聪.基于nRF24L01的嵌入式无线下载系统设计[J].机械工程与自动化,2021(1):60-62.

[6] 陈希湘,朱嵘涛,王锦莉.基于MSP430单片机的超声波倒车雷达系统设计[J].现代电子技术,2021(9):24-27.