基于激光扫描的智能往返跑控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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目前，在现在体育训练和比赛中大多数都是人力进行组织的，同时也是人负责对训练和比赛中的数据和时间进行记录的，而这类的训练和比赛往往需要很长的时间，需要很多人才能保证活动的数据正确以及公平公正。
同时在考核的过程中工作人员都是借助肉眼进行观察的，这样并不能保证数据的准确性。
在练习或考核的过程中运动员往往会出现不踩线就折返跑、因忘记自己的折返次数而没有跑完就提前结束考核的情况，针对这些问题很多专家都在研究。
而现在各个方面的发展都在趋向智能化，体育检测类的器件也在不断改进，而本设计就很好的解决了以上问题，本设计的踏线检测模块和声光报警模块，对于考核人员没有踩线见折返的情况起到了很大的帮助，它对运动员考核过程进行了很好的监督，也避免了考核人员在考核过程中的一些作弊行为，同时本设计也有计时显示模块，可以帮助工作人员准确记录比赛时间，避免出现吴记的情况，大大节省了人力资源。
1.2国内外研究现状
随着现在电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，而人们对于电子技术的要求也越来越高，其中很重要的一点就是智能化。
目前国内在各方面的研究开发，都在朝着智能化的方向前进。
其中对于体育项目的各项检测也在逐步步入这个趋势。
本课题要设计的激光扫描的智能往返跑控制系统，主要是针对体育往返跑训练或者比赛中出现的一些疏忽，比如运动员没有踏线就折回、没有记清楚折返次数等，都起到了一定的帮助作用。
国内这个设计目前还没有具体的实物出现，市面上也很少有此设计的商品。
在国外这类检测系统虽有使用，但整体的设计还不够完善，故设计本系统对于以后的各方面发展都具有很大的帮助作用。
同时，本课题设计的研究也在实际应用中节省也时间和人力。
1.3本课题要求及主要研究内容
1.3.1课题研究的主要内容
针对当前的体育训练、比赛中进行往返跑考核中存在的教练或者裁判人员观测误差大、误判、劳动强度大和效率低等现状，系统设计以ATMEL89S52系列单片机为核心控制器,采用激光器精确扫描运动员的踏线信息，采用无线传输模块进行起点和和折返点之间的实时无线通信，实现了对往返跑训练考核过程的精确检测和智能控制，减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作质量和效率。
1.3.2技术指标
（1）采用激光检测扫描运动员在起点和折返点的踏线信息，同时进行声光报警提示；
（2）采用无线传输模块进行起点和和折返点之间的实时无线通信；
（3）采用数码管显示计时信息，计时次误差<
0.01S；
（4）系统具备一定的抗干扰能力；
（5）可实现多组同时进行测试；
（6）系统采用电池供电。
2系统总体方案分析
现在的体育训练和比赛中，往返跑已经成为很重要的一项。
在考核中，运动员踩过起跑线开始计时，而到达折返点的时候也必须有效踩过折返线才能返回，如果考核人员没有按照规则，即没有到达折返点就返回，此次成绩则即为无效。
在考核中，需要工作人员及时准确的记录时间和考核人员的折返次数，而仅仅依靠工作人员肉眼观察是很难做到准确无误的。
依据这些考核中出现的问题，我们设计了一种智能往返跑控制系统，经过分析该系统需采用AT89S52单片机为控制核心，系统分为以下几个部分：
电源模块、无线传输模块、踏线检测模块、LED计时显示模块、声光报警模块。
根据设计要求，经过论证，最终确定的系统设计框图包括两个部分。
2.1起跑点的系统框图
本设计利用无线传输模块，当运动员通过起跑点踏线时，电路中的踏线检测模块进行一次扫描并发出声光报警提示，同时电路开始工作，开始记录时间。
经过分析起跑点系统框图如下：
图1起跑点系统方框图
2.2折返点系统方框图
当运动员到达折返点时，激光器会对运动员的踩线情况进行扫描，若运动员按照规则踏线之后返回，则此时激光器就会对踏线信息进行一次扫描，发出声光报警信号，同时计数器记录一次折返次。
当运动员完成任务要求的折返次数时，计数器停止计数，同时计时也停止，并在数码管上显示出完成任务所用时间。
综上所述系统框图如下：
图2折返点系统框图
3各模块的芯片选择与电路设计
3.1单片机控制模块
3.1.1核心芯片的介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52
为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
[1]AT89S52的管脚排列如图3：
图3单片机管脚排列
3.1.2单片机最小系统设计
此设计中单片机为核心芯片，其控制着模块的工作。
单片机的最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对52系列单片机来说,最小系统一般包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
如图4：
图4单片机最小系统
详细说明如下：
（1）复位电路:
由电容或按钮开关串联电阻构成,由图并结合"
电容电压不能突变"
的性质可以知道，当系统一上电RST脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的52单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般推荐C取10u，R取1K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
（2）晶振电路:
典型的晶振11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中取12M。
（3）单片机：
一片AT89S52单片机，对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；
当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
AT89S52单片机的共40个引脚，电源用2个（Vcc和GND），晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。
29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：
P0端口P0.0-P0.7共8个；
P1端口P1.0-P1.7共8个；
P2端口P2.0-P2.7共8个；
P3端口P3.0-P3.7共8个。
[2]
3.2无线传输模块及功能电路
3.2.1nRF905无线模块介绍
此次设计使用的无线模块是无线数据传输模块nRF905。
通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。
数据在内部进行曼切斯特编码（TX）和曼切斯特解码（RX）。
通过采用内部曼切斯特编解码，微控制器不需要制定编解码规则。
nRF905无线收发模块（PTR8000+），在NordicVLSI公司最新封装改版NRF905无线通信芯片基础上，特做优化设计，采用高精度贴片晶振，体积更小，性能更优。
工作于433MHz全球开放ISM频段免许可证使用，高性能低功耗，接收灵敏度高，抗干扰性强，集成度高，通信稳定，是目前最主流的无线收发电路。
其实物如图5：
图5无线模块的实物
nRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段。
由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。
工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。
可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
电流消耗很低，在发射功率为-10dBm时发射电流为11mA，接收电流为12.5mA。
进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发送数据，接收端接收后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。
nRF905发送或接受一次的数据传输量最多为32B。
[3]
本设计使用的是成型的nRF905无线模块，共有14个引脚，结构如图6所示。
图6nRF905无线模块的接口电路
表1nRF905模块的各管脚说明
管脚
名称
管脚功能
说明
1
vcc
电源
电源+1.9-3.6VDC
2
TX-EN
数字输入
TX-EN=1TX模式TX-EN=0RX模式
3
TRX-CE
使能芯片发射或接收
4
PWR-UP
芯片上电
5
uCLK
时钟输入
本模块该管脚废弃不用，向后兼容
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
地址匹配
8
DR
接收或发射数据完成
9
MISO
SPI接口
SPI输出
10
MOSI
SPI输入
11
SCK
SPI时钟
12
CSN
SPI使能
13
GND
地
接地
14
表2nRF905模块性能参考数据
参数
数值
单位
最低工作电压
3.0
v
最大发射功率
dBm
最大数据传输率曼彻斯特编码
50
kbps
输出功率为-10dBm时工作电流
mA
接收模式时工作电流
12.5
温度范围
-40to+85
℃
典型灵敏度
-100
POWERDOWN模式时工作电流
2.5
uA
3.2.2无线传输模块电路设计
收发器电路板则由nRF905芯片和各分立元件构成。
nRF905芯片内置高性能增强型51单片机（4lock），内带4路ADC12bit高速采样，全部高频元件集成；
最大发射功率达+10dBm，高抗干扰GFSK调制；
数据传输速率100kbps、独特的载波监测输出、地址匹配输出和就绪信号输出；
内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。
另外天线直接设计在PCB电路板上，以提高系统的稳定性。
（如图7）
图7nRF905印刷板上带环形天线的典型应用电路
由于nRF905具有ShockBurstTM功能，使得nRF905不需要使用昂贵的高速微控制处理器（MCU）对数据处理/时钟恢复，也能达到较高的数据率。
通过在芯片上将所有的高速信号处理变为射频通信协议，nRF905芯片提供了一个具有微控制器能力的SPI接口，数据率由具有微控制器功能的接口速率自行设定。
在此次设计中，无线传输模块nRF905可以和单片机的P口直接链接，不需要特殊的接口，在接P0口时要接10k的上拉电阻，VCC工作电压要稳定在3.0V-3.6V之间，本次设计使用的是3.3V电源，用电压转换芯片LM1117-3.3V实现。
设计中的链接示意图如图8所示。
图8单片机与nRF905连接
nRF905在正常工作前应由AT89S52先根据需要写好配置寄存器，其后的工作主要是两个：
发送数据和接收数据。
[4]
发送数据时，AT89S52先把nRF905置于待机模式（PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低），然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式（PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全为高），数据就会自动通过天线发送出去。
为了数据可靠地传输，将射频配置寄存器中的自动重发标志位（AUTO_RETRAN）设为有效，数据包重复不断地一直向外发，直到单片机AT89S52把TRX_CE拉低，退出发送模式为止。
接收数据时，AT89S52把nRF905的TRX_CE引脚置为高电平，TX_EN引脚拉为低电平后，就开始接收数据。
本设计中AT89S52设定的40s内一直在检测nRF905的DR引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。
退出后在待机模式等待，AT89S52通过SPI总线把nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。
3.3电源模块
3.3.1LM117电压转换芯片介绍
LM1117是一个低压差电压调节器系列。
其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V.它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。
LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。
另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。
LM1117提供电流限制和热保护。
电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±
1%以内。
LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封装。
输出端需要一个至少10uF钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
其实物及接口电路如图9所示。
表3LM1117系列芯片的特性
提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V和可调电压的型号
节省空间的SOT-223和LLP封装
电流限制和热保护功能
输出电流可达800mA
线性调整率：
0.2%（Max
负载调整率：
0.4%（Max）
温度范围：
－LM1117：
0℃~125℃
－LM1117I：
-40℃~125℃
表4LM1117系列芯片的应用
2.85V模块可用于SCSI-2有源终端
开关DC/DC转换器的主调压器
高效线性调整器
电池充电器
电池供电装置
图9LM1117-3.3V芯片实物及引脚图
3.3.2电源模块电路设计
本设计中单片机工作电压采用四节1.5V的电池供电，而由于无线模块的正常工作电压是3.3V，故采用电压转换芯片LM1117-3.3V来实现。
电路如图10所示：
图10电源模块
3.4计时显示模块
3.4.14位LED数码管介绍
本系统设计的显示电路是为了给供测评员实时时查看计时时间而设置的，因此采用4位数码管显示（如图12）。
四位数码管，内部的4个数码管共用a~dp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管（内部结构如图11所示），所以它有4个公共端，加上a~dp，共有12个引脚，下面便是一个四位数码管的内部结构图。
引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1~12脚，下图中的数字与之一一对应。
[5]
图114位数码管内部结构
数码管的显示分为两种，静态显示和动态显示。
在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有的段选线并联在一起，由8位I/O口控制。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动（如图13）。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
图12位数码管实物图
图13位数码管动态显示接口电路图
3.4.274HC573芯片
74HC573芯片是八进制3态非反转透明锁存器，它是一种高性能硅门CMOS器件。
SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样，器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
实物及管脚排列如图14所示。
当使能端为高时，这些器件的锁存对于数据时透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能端变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
其输出能直接接到CMOS、NMOS和TTL接口上，操作电压范围是2.0V~6.0V,低输入电流是1.0uA，具有CMOS器件的高噪声抵抗性。
图1474HC573实物及管脚排列
表574HC573芯片功能表（如下）
输入
输出
输出使能
锁存使能
D
Q
L
H
X
不变
Z
X=不用关心
Z=高阻抗
表674HC573的最大值范围
符号
值
Vcc
DC供电电压（参考GND）
-0.5～+7.0
V
Vin
DC输入电压（参考GND）
-1.5～VCC+1.5
Vout
DC输出电压（参考GND）
-0.5～VCC+0.5
Iin
每一个PIN的DC输入电流
20
Iout
每一个PIN的DC输出电流
35
Icc
DC供电电流，Vcc和GND之间
75
PD
在自然环境下，PDIP和SOIC封装下的功耗
750500
mW
Tstg
存储温度
-65～+150
TL
引线温度，10秒（PDIP，SOIC）
260
3.4.3计时显示电路设计
计时显示模块主要是在考核过程中实时记录考核人员完成任务的时间
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