關(guān)天民，孫鐸，軒亮

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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基于AT89C51的場地自行車起跑器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)天民，孫鐸，軒亮

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為了能進(jìn)行起跑專項(xiàng)訓(xùn)練來提高場地自行車比賽成績，設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為主控的場地自行車起跑器控制系統(tǒng)，同時介紹了起跑器控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路、硬件系統(tǒng)和相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì).該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)，可以測量運(yùn)動員的起跑反應(yīng)時間，并且可以測量運(yùn)動員騎行一定距離所用時間.

AT89C51;自行車起跑器;控制系統(tǒng)

0 引言

如今人類的各種運(yùn)動都在向極限的成績逼近，并且逼近極限的速度越來越慢，因?yàn)楝F(xiàn)在運(yùn)動成績想要提高0.1 s、甚至0.01 s，都要付出巨大的努力.運(yùn)動員要提高運(yùn)動成績，除了自身的努力與科學(xué)的訓(xùn)練方法以外，進(jìn)行專項(xiàng)的訓(xùn)練也顯得越來越重要.除此之外，對運(yùn)動員的訓(xùn)練效果進(jìn)行科學(xué)的測量，對運(yùn)動員提高運(yùn)動技巧也有很大幫助.

從自行車項(xiàng)目比賽中對運(yùn)動員比賽啟動階段分析，我國運(yùn)動員和國際頂尖運(yùn)動員尚有0.3 s左右的差距.所以自行車項(xiàng)目中的起跑技術(shù)自然也就成了運(yùn)動員提高運(yùn)動成績的一個潛力最大的環(huán)節(jié).該設(shè)計(jì)為我國自行車運(yùn)動員量身定做的新型訓(xùn)練工具.運(yùn)動員通過此設(shè)計(jì)的專項(xiàng)訓(xùn)練后可掌握啟動規(guī)律，將起跑時的差距減少甚至彌補(bǔ)，在比賽中獲得更好的成績.

1 總體構(gòu)架

運(yùn)動員使用起跑器進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練時，為保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要?dú)鈩娱y開啟時間、顯示牌倒計(jì)時時間和喇叭發(fā)聲時間保持同步.此外顯示部分要清晰.運(yùn)動員還需掌握自己的反應(yīng)時間，以便在比賽時可以提前發(fā)力，縮短起跑時間.另外為了對比賽全程進(jìn)行分析，還需要具備到達(dá)一定距離所用時間的測量功能.

根據(jù)以上需求，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能見表1.

表1 起跑器功能表

根據(jù)以上需要，本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為主控，由以下幾部分組成：

(1)單片機(jī)控制模塊，功能為控制各模塊工作，計(jì)時，與上位機(jī)通信；

(2)發(fā)令子系統(tǒng)，其中包含喇叭，發(fā)令槍，顯示屏以及氣動裝置，當(dāng)接收到開始倒計(jì)時命令后，由顯示屏顯示倒計(jì)時，喇叭發(fā)出提示音.當(dāng)?shù)褂?jì)時間為0時，氣動閥打開，同時發(fā)令槍響，訓(xùn)練開始.訓(xùn)練前利用手動按鈕控制氣壓鎖緊裝置開啟和閉合；

(3)反應(yīng)時間檢測裝置，檢測從發(fā)令起跑到運(yùn)動員起跑的時間，即為運(yùn)動員的反應(yīng)時間；

(4)定長計(jì)時裝置，檢測運(yùn)動員到賽道上任意距離所用時間；

(5)上位機(jī)模塊，顯示、記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù).

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 功能模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 主控模塊

主控制器是核心部件，作用為控制發(fā)令子系統(tǒng)，測量時間，與上位機(jī)通訊，及協(xié)調(diào)各部分工作.根據(jù)系統(tǒng)需要，控制器采用AT89C51單片機(jī).AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器[2].AT89C51具有128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路.此單片機(jī)成本低,穩(wěn)定性好,能滿足本設(shè)計(jì)要求.AT89C51引腳如圖2所示， XTAL1和XTAL2為振蕩器的輸入輸出端口，外接12 MHz晶振.機(jī)器周期為12*(1/12M)=1 us.因?yàn)槲覀兛梢灾烂織l指令執(zhí)行的機(jī)器周期數(shù)，所以就可以確定每條指令的執(zhí)行時間，并據(jù)此來進(jìn)行各部分時間參數(shù)的調(diào)整.各模塊之間通過RS-232接口實(shí)與AT89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信.監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線上傳至上位機(jī)，并由上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并且通過上位機(jī)進(jìn)行時間參數(shù)設(shè)置.

圖2 AT89C51引腳圖

2.2 發(fā)令子系統(tǒng)

發(fā)令子系統(tǒng)包括顯示屏、發(fā)令喇叭和氣動系統(tǒng).

(1)顯示屏

顯示屏采用高亮度LED制作，并有前遮光罩，確保顯示清楚.主控制器的倒計(jì)時時間經(jīng)RS232C通訊口傳給顯示屏，顯示屏的控制器根據(jù)自定義通訊協(xié)議進(jìn)行翻譯輸出，經(jīng)驅(qū)動電路點(diǎn)亮相應(yīng)的LED，顯示時間[3].

(2)發(fā)令喇叭

為了保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，需要考慮到聲音傳播的時間，假設(shè)法令喇叭到運(yùn)動員的距離有1m，則發(fā)令員的槍聲到第一道運(yùn)動員需要0.002 9 s(聲速按340 m/s 來計(jì)算)， 為了消除聲音傳播對運(yùn)動員成績帶來的誤差，需要在后期數(shù)據(jù)中進(jìn)行補(bǔ)償.

(3)氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)的功能是夾緊自行車并在發(fā)令槍響時及時松開.設(shè)計(jì)氣動系統(tǒng)時應(yīng)考慮以下幾方面問題：除了手動按鈕能把夾緊氣缸松開時外，由主控制器發(fā)出的發(fā)令信號也能把氣缸松開.兩夾緊氣缸同步可調(diào)，保證自行車被夾在中間.按需要夾緊頭不應(yīng)轉(zhuǎn)動，所以氣缸桿應(yīng)防轉(zhuǎn).氣動系統(tǒng)采用日本SMC的氣動元件，依據(jù)要求設(shè)計(jì)氣動系統(tǒng)原理，如圖3所示.氣動按鈕3控制氣缸7夾緊或松開，電磁閥2和梭閥4接受發(fā)令信號后使氣缸7松開，這樣就能保證發(fā)令時氣缸及時松開.單向節(jié)流閥6調(diào)節(jié)兩氣缸7同步.

圖3 氣動原理

在起跑時，屏幕開始顯示10 s的倒計(jì)時同時提示音響起，當(dāng)?shù)褂?jì)時結(jié)束時，發(fā)出提示音的同時自行車夾緊裝置松開.主控制器的倒計(jì)時時間經(jīng)RS232C通訊口傳給顯示屏，顯示屏的控制器根據(jù)自定義通訊協(xié)議進(jìn)行翻譯輸出，經(jīng)驅(qū)動電路點(diǎn)亮相應(yīng)的LED，顯示時間.發(fā)令喇叭有兩種，一是提示聲，另一種是槍聲，分別在在倒計(jì)開始與時結(jié)束時響.顯示比賽開始時間、發(fā)令聲、氣閥開啟時間同步是研制起跑器的關(guān)鍵.

2.3 反應(yīng)時間檢測裝置

反應(yīng)時間檢測裝置作用為測量運(yùn)動員的反應(yīng)時間，它是自行車夾緊裝置后面的一個高速光電傳感器，槍響時自行車夾緊裝置同時松開，當(dāng)自行車產(chǎn)生位移時，光電傳感器發(fā)信給主控制器，主控制器計(jì)算出發(fā)令槍響與自行車產(chǎn)生位移時的時間差，精度可達(dá)1 ms.

2.4 定長計(jì)時裝置

定長計(jì)時裝置用于記錄從起跑到任意設(shè)定距離所用時間.共有四個檢測計(jì)時通道，可在賽道布置四個檢測點(diǎn)，如果是環(huán)形賽道，每個檢測點(diǎn)可測量多次.所有的檢測結(jié)果由主控制器通過RS232C上傳給上位機(jī)，進(jìn)行分析和長期保存.每個檢測點(diǎn)由一個TCRT5000 紅外反射式光電傳感器及一個無線發(fā)射裝置組成，由3.7 V鋰電池供電.本系統(tǒng)采用RF4432PRO模塊傳輸數(shù)據(jù).RF4432PRO模塊采用的是Silicon Lab Si4432器件，這是一款高度集成的無線ISM頻段收發(fā)芯片.當(dāng)光電傳感器運(yùn)動員通過檢測點(diǎn)時，無線發(fā)射模塊產(chǎn)生無線電波，控制器的外圍無線接收裝置接收無線信號，并形成外部中斷源，控制器響應(yīng)中斷，計(jì)算并記錄時間并上傳到上位機(jī).考慮到賽道布線的范圍比較大，距離比較長，無線通信比較容易受外界的干擾，因此無線通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，要求系統(tǒng)具有較高的可靠性.

2.5 上位機(jī)模塊

上位機(jī)模塊用于顯示與記錄運(yùn)動員訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過總線將訓(xùn)練信息傳至上位機(jī)，由上位機(jī)顯示與分析儲存[6].同時控制系統(tǒng)的時間參數(shù)也通過上位機(jī)設(shè)置.上位機(jī)程序在LabVIEW中實(shí)現(xiàn).LabVIEW可以使用mscomm控件或者VISA來進(jìn)行串口通信，但是mscomm控件編程復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)中使用VISA.VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口(API)，它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨(dú)立的可方便調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù).

在LabVIEW中使用的visa，首先要配置 VISA串口，設(shè)定波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位、等參數(shù)，將VISA資源名稱指定的串口按特定設(shè)置初始化，程序界面如圖4所示.

(a) 設(shè)置界面

(b) 訓(xùn)練測試界面

3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

軟件是控制系統(tǒng)的重要組成部分之一.首先繪制出基本的程序執(zhí)行流程，按啟動鍵后，倒計(jì)時開始，倒計(jì)時結(jié)束的同時發(fā)令聲響、夾緊氣缸松開、綠燈亮，同時開始計(jì)時.自行車離開起跑器時觸發(fā)外部中斷，計(jì)算出反應(yīng)時間并儲存在數(shù)據(jù)寄存器.

當(dāng)自行車依次通過4個計(jì)時點(diǎn)時，分別觸發(fā)另4個外部中斷，同樣計(jì)算出時間，并保存在寄存器中，當(dāng)騎行到達(dá)終點(diǎn)時，程序自動結(jié)束.也可再按啟動按鈕，強(qiáng)制程序結(jié)束.程序用C語言編寫，程序流程圖如圖5所示.

4 結(jié)論

本文以AT89C51單片機(jī)為主控對自行車起跑器控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).在設(shè)計(jì)與開發(fā)中遵照模塊化思想，提高各模塊的獨(dú)立性的同時又降低模塊之間的數(shù)據(jù)依賴，所以該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，運(yùn)行穩(wěn)定，利于使用與維護(hù).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測量運(yùn)動員的反應(yīng)時間以及騎行一定距離所用時間等功能.可以讓運(yùn)動員進(jìn)行專項(xiàng)的起跑訓(xùn)練，提高比賽成績.

圖5 程序流程圖

[1]龔淑雯.研究徑賽起點(diǎn)信號處理系統(tǒng)的開發(fā)[J].信息與電腦 (理論版),2012(4):44-45.

[2]李朝青.PC機(jī)與單片機(jī)&DSP數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編(3)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版,2004:56-120.

[3]樓然苗,李光飛.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例(第2版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版,2006:89-152.

[4]李非.徑賽起點(diǎn)信號處理系統(tǒng)開發(fā)[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[5]揚(yáng)森.電子設(shè)計(jì)自動化手冊[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2005:18-110.

[6]李朝青.PC機(jī)與單片機(jī)&DSP數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編(3)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:56-120.

[7]沙占友,王彥明,孟志永.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)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

大連市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014A11CX043)

關(guān)天民(1963-)，男，教授，博士，主要從事新型擺線輪傳動、先進(jìn)運(yùn)動與康復(fù)器械、人機(jī)工程的研究E- mail:gtm@djtu.edu.cn.

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