基于无线通信的篮球进球自动计数器

杨叶康

（山东理工职业学院，山东济宁， 272067）

1 总体设计

本文提出的篮球进球自动计数器分为两个大的模块。其中主控模块由单片机、NRF24L01 无线通信模块、LCD1602液晶显示器、蜂鸣器组成，从板由单片机，超声波传感器、NRF24L01 无线通信模块组成。两块电路板都由五节五号电池串联供电。系统框图如图1、2 所示。

图2 从板结构框图

其中，在从板中，超声波测距传感器将在篮筐下检测篮球与篮板的距离，当距离小于某个阈值，则认定为进球有效。在从板上的超声波传感器检测到进球的同时，从板上的NRF24L01 无线通信模块会和主板上的NRF24L01 无线通信模块进行通信，从板把进球信息传输到主板，主板对进球数加一，并显示在LCD1602 液晶显示器上，同时蜂鸣器响一声，来通过声音提示进球成功。

2 硬件设计

本文提出的篮球进球自动计数器硬件设计由AD21 完成。其电路图如图3、4 所示。

图3 主板硬件电路图

图4 从板硬件电路图

其中，在主板中，硬件电路包括单片机最小系统，蜂鸣器模块电路，供电模块电路，LCD1602 液晶显示模块电路，NRF24L01 无线通信模块电路。

从板硬件电路包括单片机最小系统，供电模块电路，超声波测距模块电路，NRF24L01 无线通信模块电路。

以下无论是主板还是从板，对以上提到过的电路进行一一介绍，不重复介绍。

■2.1 单片机最小系统电路

本文提出的篮球进球自动计数器采用STC89C52RC 作为主控芯片。由于该芯片不自带晶振，所以需要外接晶振。芯片外接晶振的引脚为第18 和第19 引脚。外接晶振的同时，每个引脚接一个33pF 的电容，电容一端接在晶振引脚上，一端接地，电容的作用是滤波。

复位电路在独立按键两个引脚之间接一个10μF 的电解电容，在电解电容的负极接一个10kΩ 的电阻，电阻的另一端接地。在单片机的第20 引脚和第40 引脚分别接地和电源。之所以在第40 脚电源端接一个104pF 的电容连接到地端，是因为电源有可能不稳定，用于滤波。

■2.2 供电模块电路

由于本设计的主板和从板都是用五节五号电池供电。因为每节五号电池的电压为1.5V，所以五节加起来共有7.5V 的电压，而本文所选单片机、超声波传感器、蜂鸣器、LCD1602 液晶显示器的工作电压是5V，NRF24L01 无线通信模块的工作电压是3.3V，所以需要降压。

从7.5V 降到5V，本文采用的是L7805 降压芯片。L7805 有三个管脚，输入管脚为7.5V 的输入端，输出管脚为5V 输出端，公共端接地。如图3 所示，本文在L7805 的输出端和地之间并联了两个电容，同样是用于滤波。

从5V 降压到3.3V 本文采用的是AMS1117-3.3 降压芯片。降压电路简单易懂，输入为5V，输出为3.3V。其中两个VOUT 引脚连在了一起。

■2.3 超声波测距模块电路

超声波测距模块是集成模块，其中的电路不需本文设计，只需把该模块的电源和地连接上，并把Trig 和Echo引脚连接到单片机上即可。其中Trig 引脚连接在了单片机的P2.1 引脚，Echo 连接在了P2.0 引脚。超声波模块采用HC-SR04 型号。HC-SR04 采用CS100A 作为主芯片，采用8MHz 晶振，能准确测量2 ～600cm 的距离。

■2.4 NRF24L01 无线通信模块电路

NRF24L01 同样是集成模块，它自带天线，有一套自己独特的通信协议。它的通信距离可达1100 米，理论上可实现无数个模块之间的相互通信。现实中常用的是一收多发，即多个NRF24L01 对同一个NRF24L01 进行发送数据。虽然实际上是串行收发数据，但是由于收发数据的时间极短，可以认为是并发的进行一收多发。

实现一收多发的方式有两种，一种是所有NRF24L01 模块采用相同的地址，但采用不同的频率进行通信；另一种是所有的NRF24L01 采用相同的频率，而地址则不相同。NRF24L01 支持的频率范围为2.4GHz~2.5GHz，因此理论上可以实现一个接收无数个发送，但是由于相邻频率容易出错，因此在现实中无法实现太多NRF24L01 同时向一个NRF24L01 发送数据。

另外需要注意的是，本文采用的单片机是5V 供电，而NRF24L01 无线通信模块是3.3V 供电，所以存在电平不兼容的问题，因此需要在NRF24L01 模块的引脚和单片机的引脚之间串470Ω 的电阻。这样才能实现单片机和该无线通信模块之间的连接。

■2.5 LCD1602 液晶显示电路

LCD1602 液晶显示器共有16 个引脚，由于LCD1602是并行数据传输，所以其中有8 个数据引脚，本文把它们接在了单片机的P2 口上，如果单片机的I/O 引脚不充足的情况下，还可以使用74HC595 来串转并进行单片机接口的扩展。另外还有3 个控制引脚，他们分别是数据命令选择引脚RS，读写选择引脚RW 和使能信号引脚E。他们被分别接在了P1.1、P1.2 和P1.3 管脚。LCD1602 的第3 引脚需要接一个电位器，电位器的两端分别接电源和地，调整电位器可用于调节1602 的背光灯亮度。

■2.6 蜂鸣器模块电路

蜂鸣器用于提示进球的有效性，虽然它是由0 和1 来控制，但是它是一个功率器件，需要大的电流来驱动才可以正常工作，因此不能直接接在单片机的引脚上，因为单片机的驱动能力是有限的，而三极管有放大作用，它有放大电流的作用，恰好可用于放大单片机的微弱电流，因此本文在蜂鸣器和单片机之间连接了一个PNP 型三极管用于驱动蜂鸣器。值得注意的是，本文采用的是有源蜂鸣器。之所以采用有源蜂鸣器是因为有源蜂鸣器自带振动源，驱动简单，发声清脆，其功能符合本文的要求。

3 软件设计

本文所提出的篮球进球自动计数器分为主板和从板，由于主板和从板上都有各自的单片机，并且实现的功能不同，因此软件也分为两套，一个是主板上的软件，一个是从板上的软件。其程序流程图分别如图5、6 所示。

图5 从板软件流程图

图6 主板软件流程图

对于从板，首先进行系统初始化，其中包括变量的初始化，定时器的初始化，NRF24L01 引脚的初始化，当然，对于STC89C52RC 并不需要，还包括NRF24L01 无线通信模块的检测，NRF24L01 模块的初始化（主要是初始化的设置，包括地址，频率等），还有设置NRF24L01 为发送模式，初始化的最后一步就是延时，延时的作用就是等待系统稳定之后再进行工作。

然后从板不断地进行测距，当距离小于20cm 的时候，判断进球有效，无线通信模块把进球信息发送给主板。从板在使用超声波测距的时候用到了定时器，超声波测距的原理就是，首先，超声波传感器发出超声波，然后定时器开始计时，当超声波碰到障碍物（这里指篮球）返回到超声波传感器定时器计时停止，根据超声波在空气中传播的速度，再根据定时器计时的时间，从而计算出超声波传感器与障碍物的距离。这里设定阈值为20cm，也即当超声波传感器与篮球的距离小于20cm 的时候判断为篮球进球成功；接下来单片机控制NRF24L01 模块发送一个字符串到主板。

而主板不断地在等待接收从板发过来的字符串信息，当从板向主板发送字符串信息的时候，主板才能成功接收，进而主板上的主控芯片控制液晶显示模块显示出来进球数量，至此，一个有效的进球成功显示了出来。如此循环往复，软件即可完成篮球进球的持续计数。

主板的软件初始化包括了变量的初始化，LCD1602 液晶的初始化，NRF24L01 的引脚初始化，NRF24L01 的检查，NRF24L01 的设置初始化，接收模式的设置，LCD1602 固定字符的显示，以及用于等待系统稳定的延时。

4 测试

经过一系列步骤成型的篮球进球自动计数器实物如图7所示。

图7 左侧为从板，右侧为主板。把从板安装在篮球框下面的篮板上，主板则放在容易观察的地方，比如桌子上。每当进球成功后，从板会检测到进球并把进球信息发送给主板，主板上的LCD1602 显示的数字就会加一并伴有蜂鸣器的响声。

图7 篮球进球自动计数器实物图

实践证明，本文所设计的篮球进球自动计数器是可行的、切实有效的。它能够在不用人为操作的情况下实现自动篮球进球计数，并显示出来。有助于投篮训练、投篮比赛等诸多体育运动的进行。

5 总结

本文设计并实现了一款篮球进球自动计数器。该计数器分为两个大的模块，分别为主板和从板。主板和从板都由单片机控制。从板由单片机，超声波传感器和NRF24L01 无线通信模块组成，固定在篮球框下面的篮板上，用于检测篮球的进球；主板由单片机，NRF24L01、蜂鸣器和LCD1602组成，放在易于观察的位置，用于与从板通信并显示进球数。

经过测试，本文所提出的计数器可用于篮球投球训练、投篮比赛等场合，其完全解放了人力，不再需要人工手动计数，而是全自动进行进球计数，还有进球提示功能。