單杠計數器

張豪 趙鎮 于靖杰 宋曉峰

摘 要：針對市面單杠計數器功能單一的問題，文中設了集計數、檢測、存儲和播報功能于一身的單杠計數器，該計數器基于傳感器原理、STC89C52技術研制而成，應用前景廣闊，應用范圍較大，同時還具有安裝便利，輕巧等特點，可滿足大眾需求。

關鍵詞：單杠計數器;AT89C5l單片機;傳感器

1 單杠計數器

1.1 作品簡介

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

（1）語音報數功能。語音報告合格完成拉單杠動作的數量，若不按照標準運動則不計數，且無語音提示。機器語音報數相對于人工報數不僅更規范，同時減少了人為干擾等因素。

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

1.2 市場前景

中學學業測試、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，又可以科學檢測練習者是否滿足計數要求，使計數在比賽、練習和考試中更加客觀、公正。使用該儀器在團體比賽綜合計數時具有如下優點：

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

（2）擁有計數功能。通過傳感器準確判斷練習者在進行單杠練習時是否能夠達到合格要求，以此矯正練習者的姿勢，起到輔助提高的作用。同時，計數器還具有顯示提醒功能，幫助練習者做到心中有數。

（3）擁有語音播報功能。練習者在練習過程中不用特意查看即可掌握實時情況，直觀、有效。

1.3 創新點

現階段，計數器應用范圍廣泛，而用于引體向上訓練的單杠計數器卻未曾在市場中發現。本產品具有如下創新點：

（1）產品針對性強，可優化引體向上訓練中的人力物力分配，減少后勤保障壓力，對于部隊訓練的效率提升具有現實意義。

（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，無需進行專業培訓。

（3）結構簡單，技術成熟。產品使用單片機開發，穩定性好;采用光電感應技術，精度高;可實現精確計數，使用壽命長;移動電源和可充電電池相結合，維護保養方便。

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

1.4 工作原理

單杠計數器系統是以51單片機為核心設計，并與直射式光電傳感器相結合的自動檢測計數系統，具有很高的應用價值和現實意義。

系統上安裝的紅外傳感器可檢測臉部是否到達固定高度，經數據整形后傳送給51單片機處理，通過按鍵設置可開啟測試和查看儲存的各組單杠數量。系統軟、硬件系統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，只需相應改變地址即可替換使用。單片機應用的重要意義還在于從根本上改變了傳統檢測系統設計方法。之前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法實現。軟件代替硬件的檢測技術也稱為微檢測技術，是傳統檢測技術的一次革命。隨著集成技術的發展，51系列單片機繼承和發展了MCS-51系列的技術特色，有逐漸取而代之之勢。

本設計主要是51單片機在單杠智能輔助訓練儀系統中的應用。重點介紹了單片機的最小系統，通過單片機最小系統實現了壓力的測量系統，由光電傳感器采集到脈沖信號，經過信號的放大、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，并在數碼管上顯示當前的用力間隔時間。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數等功能，不僅能顯示出用力方向，還能自動儲存數據。

本次所設計的單杠智能輔助訓練儀系統實現簡單、功能穩定、使用方便，應用廣泛，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，數碼管顯示部分不夠完美等，在設計過程中使用的運放數量也較多，加大了電源管理的復雜度。然而科技的進步勢必會使單杠智能輔助訓練儀的功能日益強大和完善，其應用領域將不斷擴大，會給我們的生活帶來更多方便和精彩。

2 技術路線

2.1 單杠計數器的結構

單杠計數器是將光電傳感器作為變換原件，把采集到的檢測信息轉換為電信號，利用電子儀表進行測量和顯示的裝置。本系統由光電傳感器、信號處理模塊、單片機電路、數碼管、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）轉換成電量的轉換元件，由紅外發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關系（通常是線性關系）轉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 數碼管顯示

把單片機計算處理的單杠數量用數碼管顯示，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直流穩壓電源。

2.2 圖示工作原理

本設計將單片機STC89C52作為檢測核心，實現單杠計數器的基本測量功能。

3 STC89C52

AT89C5l是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內含4 KB可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，可靈活應用于各種檢測領域。

3.1 STC89C52 的特點

STC89C52具有如下特點：

（1）與MCS-51產品指令系統完全兼容;

（2）4 KB可重擦寫FLASH閃速存儲器;

（3）1 000次擦寫周期;

（4）全靜態操作：0 Hz～24 MHz;

（5）三級加密程序存儲器;

（6）128*8 B內部RAM;

（7）32個可編程I/O口線;

（8）2個16位定時/計數器;

（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 的結構

此次設計所使用的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/數據總線復用口。作為輸出口時，驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉入端用。

（4）Pl口：P1是—個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平后將使單片機復位。

（8）ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。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STC89C52由外部程序存儲器取指令或數據時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號均不出現。

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

（11）XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。

（12）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

3.2.2 信號放大

經紅外檢測采集并轉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。而且單杠計數器所使用的地點無法保證是陰暗的室內，所以要考慮強光對測量的干擾。此外，低頻信號需要經過多倍放大和整形才能被主控模塊接受和處理。

信號轉換模塊會使用LM358運算放大器。LM358內部包括兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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。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）低輸入失調電壓和失調電流;

（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，在電壓比較器的負向電壓輸入端通過R9，R10分壓得到2.5 V基準電壓，放大后的信號通過C7電容耦合進入比較器，當輸入電壓低于2.5 V時，U2B的第七引腳輸出高電平，發光二極管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公司設計生產的STC89C52單片機作為核心，以更快更準確地對數據進行運算，同時還可以根據實際情況編程，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，單片機設為負跳變中斷觸發模式，通過P0口檢測液晶顯示。

3.2.5 顯示電路

一些小型設備或小型檢測系統一般由單片機組成控制系統，為了降低成本，這些小型系統中的顯示一般由數碼管（LED）組成，常見的數碼管有7段、8段和16段。

數碼管是8個發光二極管，以兩種方式連接，如果將其陰極連在一起，則構成共陰數碼管;如果將其陽極連在一起，則構成共陽數碼管。

4 軟件程序流程

系統主程序檢測單片機系統按預定的操作方式運行，是單片機系統程序的框架。系統上電后，對系統進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口工作狀態的設定。系統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。