基于AT89C51的立定跳远测距系统设计 精品.docx

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基于AT89C51的立定跳远测距系统设计精品

毕业设计说明书

基于AT89C51的立定跳远

测距系统设计

学生姓名：

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专业：

指导教师：

2012年06月

基于AT89C51的立定跳远测距系统设计

摘要

广大青少年身心健康、体魄强健、意志坚强、充满活力，是一个民族旺盛生命力的体现，是社会文明进步的标志，是国家综合实力的重要方面。

随着中华人民共和国《学生体质健康标准》的颁布实施，开发智能化体质测试系统用于检测大中小学生的身体健康状况已经成为当务之急。

立定跳远测距系统是智能化体质测试系统系列产品之一，该系统将计算机软硬件技术溶为一体，技术含量高。

在研究参考国内外现有立定跳远测距仪的基础上，充分利用现代电子、计算机、红外线传感测控等方面的技术成果，开发了新一代基于红外线发光二极管和单片机的立定跳远测距系统。

本文所论述的立定跳远测距系统采用计算机显示，可根据不同被测对象选择不同的起跳点，性能稳定，精度较高。

系统实用、缓冲性能和附着地面性能优良。

本文所论述的立定跳远测距系统是以单片机AT89C51为核心部件的工作系统。

用AltiumDesigner软件完成硬件设计的基础上，确定C语言为编程语言，确定了系统软件的总体结构，设计了主程序流程图，通过C语言编制的软件程序支持，能够实现对被测者所跳距离的处理、运算，从而实现测量。

同时，本文对单片机AT89C51与PC机之间进行通讯、实施PC机控制的工作做了一定的研究和探讨。

关键词：

立定跳远测距系统，红外线传感测控，单片机

TheResearchandDevelopmentofAdvancedStandingLongJumpRangeFinderSystem

Abstract

Massesofadolescentphysicalandmentalhealth,bodyrobust,strongwill,fullofvitality,istheembodimentofanationstrongvitality,isasymbolofsocialcivilizationandprogress,areimportantaspectsofthecomprehensivenationalstrength.WiththepromulgationandactualizationofTheHealthStalldardforStudentsPhysicalConstitutionofthePeoplesRepublicofChina,ithasbecomeapressingobligationtodeveloptheIntelligentTestingSystemforPhysicalConstitutionMeasurement.

"Theadvancedstandinglongjumprangefinder"isoneoftheseriesofproductsofTheIntelligentICCardTestingSystemforPhysicalConstitutionMeasurement.Thisdeviceisahightechnicalproductwhichisthecombinationofcomputerhardwareandsoftware.Underthestudyofthestandinglongjumprangefinderathomeandabroad,anadvancedstandinglongjumprangefinderthatbasedoninfraredLEDandSCM（SingleChipMicroprocessor）isdeveloped,whichtakesadvantagesofthetechnologyprocessinthefieldssuchaselectronic,computer,sensorandcontrolling.

ThestandinglongjumprangefinderdiscussedinthispaperusesthePCtoshowthetestingdata.Differentjumping-offpointscanbechosenfordifferentpeople.Ithasstablecapabilityandhighprecession.Themeasureerrorislessthanonecentimeter.It'spracticalityandwellcushionandadhesioncapability.

TheMCUAT89C51isusedasacorecomponentinthisstandinglongjumprangefinder.OnthebasisofthehardwaredesignwiththehelpofthesoftwareAltiumDesigner,thisarticledecidestochooseClanguagetoprogram,anddecidesthegeneralstructureofsoftwaresystem,anddesigntheflowchartofthemainprogram.WiththesupportofthesoftwarethatprogrammedbytheClanguage,thedatacanbeanalyzedandoperatedautomatically.CommunicationsbetweenAT89C51andPCcontrollingalealsodiscussedinthispaper.

Keywords：

Standinglongjumprangefindersystem,infraredsensorandcontrolling,SCM

1绪论

1.1研究立定跳远测距系统的由来及意义

1.1.1《学生体质健康标准》介绍

现代文明在带给人们充分物质享受的同时，也给人类的健康带来了新的威胁，人们对健康的要求更加迫切。

我们国家自新中国成立以来党和政府十分重视青少年的体质，制定了一系列政策，先后推出了《劳卫制》、《国家体育锻炼标准》、《大学生体育合格标准》、《中学生体育合格标准》、《小学生体育合格标准》以及《学生体质健康调研》等政策和措施。

这些政策和措施对加强学校体育工作，提高青少年体质健康水平，起到了很大的推动作用。

但随着社会的发展和变革，部分内容己不能完全适应形势的要求，如：

在体质的测试内容方面存在着一定的局限性，不能全面反映学生的体质健康状况；学校体育中重复“测试”的内容较多，加重了学生和体育教师的负担。

因此，进一步修订与完善这些政策和措施，建立一个比较全面、科学、简单、实用的学生体质健康评价标准，显得十分必要。

2000年我国学生体质健康调研结果表明，随着我国社会稳定和经济的持续发展，人民生活水平的不断改善，我国学生身体健康水平有了较大的提高。

与此同时，学生的体质健康方面也存在着不容忽视的问题，学生体质健康的状况不容乐观，必须下大力气，采取积极措施，扭转学生体质健康状况下滑的趋势。

以前我国采用的《学生体育合格标准》，从评价方向和内容上已不适应现代学生的客观实际。

因此，教育部、国家体育总局于2002年7月25日颁布了《学生体质健康标准》（试行方案及实施方法）[1]，取代了《学生体育合格标准》。

《学生体质健康标准》的颁布实施，其目的就在于使学校和广大学生以及家长能够及时了解学生的健康水平，督促学生积极参加体育锻炼，上好体育课，养成良好的锻炼习惯，进而全面提高学生的体质健康水平。

《学生体质健康标准》能够促进学生身体的正常生长和发育、形态机能的全面协调发展、身体健康素质的全面提高和激励学生主动、自觉地参加经常性的体育锻炼，有利于把学生培养为德、智、体、美全面发展的高素质人才。

1.1.2《学生体质健康标准》在学校的实施

《学生体质健康标准》是《国家体育锻炼标准》的组成部分，《国家体育锻炼标准》在学校的具体实施。

《学生体质健康标准》将采取分步实施的办法，逐步推广。

从2002年9月新学年开始，由各省、自治区、直辖市教育厅（教委）确定3%左右的中小学校和2所以上的高等学校、小学从一、三、五年级开始，中学（中专）和高等学校从起始年级开始实施《学生体质健康标准》以取得经验。

从2003年新学年开始，各省、自治区、直辖市实施《学生体质健康标准》的比例扩大到50%的中小学校和所有高等学校。

从2004年新学年开始，在全国各级各类学校全面实施《学生体质健康标准》。

1.1.3《学生体质健康标准》适用范围和评价方法

《学生体质健康标准》适用于全日制小学、初级中学、普通高中、中等职业学校和普通高等学校的在校学生。

从身体形态、身体机能、身体素质等方面综合评定学生的体质健康状况，按百分制记分。

不同年级有不同的测试项目，同一年级还会根据个人的不同条件有不同的标准。

《学生体质健康标准》根据学生的生长发育规律，将测试对象划分为以下组别：

小学一、二年级为一组、小学三、四年级为一组、小学五、六年级为一组；初中及以上年级每年级为一组，大学为一组。

测试项目如下：

（一）小学一、二年级测试项目为身高、体重、坐位体前屈三项。

（二）小学三、四年级测试身高、体重、50米跑、立定跳远四项。

（三）小学五、六年级测试项目为六项，其中身高、体重、肺活量为必测项目。

选测项目为三项：

从台阶试验、50米×8往返跑中选测一项；从50米跑、立定跳远中选测一项；男生从坐位体前屈、握力中选测一项、女生从坐位体前屈、握力、仰卧起坐中选测一项。

（四）初中及以上各年级（含大学）测试项目为六项，其中身高、体重、肺活量为必测项目，选测项目为三项：

从50米跑、立定跳远中选测一项；男生从台阶试验、1000米跑中选测一项，女生从台阶试验、800米跑中选测一项；男生从坐位体前屈、握力中选测一项，女生从坐位体前屈、仰卧起坐和握力中选测一项。

《学生体质健康标准》是促进学生体质健康发展、-激励学生积极进行身体锻炼的教育手段，是学生体质健康的个体评价标准，也是学生毕业的基本条件之一。

新标准实行的是目标管理，即不管学校怎样开展体育运动，只要达到标准就合格。

如：

长跑是提高耐力的有效方法，但由于它枯燥乏味许多人不愿意跑，这种情况下有条件的学校同样可以通过游泳、踢足球等活动来达到提高耐力的目的。

《学生体质健康标准》的实施本身是对学生进行提高健康意识的教育过程。

通过《学生体质健康标准》的实施，可以促进青少年学生更加自觉主动地锻炼身体。

可以使家长、社会及时了解学生的体质状况。

1.1.4国外各国对体质评价指标体系的研究

从国际体质评价指标体系的演变来看，各个从事体质测试的国际组织和国家，在解释体质的概念和选择测试指标方面都想尽力取得一致，但是由于各国际组织和国家的某些观点尚有不同，因而在各自测试指标上，也还存在着较大差别。

美国在体质研究上有很长的历史，学科发展完善，基本完成了由测试“运动技术指标”向测试“健康指标”的过渡。

在美国比较普遍使用的健康体质测试方法，可以归纳为4个方面：

（1）心肺功能；

（2）肌肉力量与耐力；（3）身体柔韧性；（4）身体组成。

良好的心肺功能可以预防心血管疾病，特别是冠心病的发生；强健的肌肉是完成人体各种运动的必需；柔韧性可以防止在活动中的损伤：

适宜的身体组成可避免由肥胖导致的各种疾病。

所以，这四个方面的良好状态，提供和保证了人们安全地从事运动的能力，即具备了优良的体质水平。

而日本在1998年也对沿用了30多年的体力诊断和运动能力测试进行了修订，指标数量减少，包括耐久跑、握力、50米跑、立定跳远、坐位体前屈、仰卧起坐等，指标更向健康评价靠近。

世界卫生组织对健康的定义为“健康不仅仅是指没有疾病或不虚弱，而是生理、心理的健康和社会适应的完好状态”。

对体质的定义在体育、教育和卫生系统，也已基本形成共识，即“体质是指人体的质量，它是在遗传性和获得性的基础上表现出来的、相对稳定的特征”。

从健康和体质两个定义中不难看出对身、心两方面提出的要求。

以往我国评价学生的体质时，更多地使用了学生的运动成绩作为评价的标准。

随着社会的发展，人们越来越认识到形态对人体健康的重要性，因为一定的形态结构，必然表现为一定的生理功能。

因此形态将作为评价的一个方面。

另外，现代医学和运动生理学的研究结果表明，人体心血管系统及呼吸系统功能强弱是反映一个人健康的重要标志，也是左右人们寿命和工作时间的重要因素。

应该把发展学生心血管系统及呼吸系统功能贯穿身体运动的始终。

因此，机能的评价也应作为学生体质健康标准的重要内容。

1.1.5研究开发立定跳远测距系统的由来和意义

青少年是祖国的希望、民族的未来。

各级政府都非常重视青少年的体制健康问题。

有了标准和实施的步骤还是不够的，如何使这套标准执行的更具科学性才是关键。

在教育部国家体育总局颁布的教体艺[2002]12号《学生体质健康标准试行方案及实施办法》中明确指出“为使《学生体质健康标准》的实施更加科学、准确、简便易行，各学校选用的测试器材必须是经国家质量监督部门检测达到测试要求的合格产品，同时应积极创造条件使用计算机，努力做到管理的科学化、现代化。

目前，我国从小学、中学到成人还没有相应的检测设备，就更谈不上普及应用。

现有的一些测试主要靠人工操作，存在有较大的人为因素，且不方便管理。

因此，研制一整套智能化全自动体质监测设备，并能与网络和数据库连接、便于管理存档、价格又相对低廉，使一般中、小学校及厂矿、企业、机关都能接受，成为当务之急。

我们研究的立定跳远测距系统正是符合了这一形势要求。

经常练习跳跃，可以增强腿部力量，提高弹跳能力，发展速度、力量、灵敏、协调等素质，而立定跳远作为跳跃类的一个项目，由于它的技术动作简单，所需场地不大，器材简易，因此把它作为身体素质测验必不可少的项目之一。

如小学的体育达标测试之一；初中升高中的体育加试；高中考体育学院的素质测试等。

立定跳远是全民健身的重

要项目，也是竞技体育中有代表性的素质指标。

立定跳远测距仪是体能测试系统的系列产品之一，通过测试直观地反映出受测者的人体爆发能力。

本设备具有安全、环保、简便、实用、对环境条件要求宽松、便于普及推广的特点。

传统的体育比赛和体育测验中，立定跳远的成绩采用米尺来测量，由裁判员或体育老师用肉眼来测量成绩。

根据比赛规程，每位被测者有三次机会，三次中的最好成绩作为该选手的最终成绩。

而在大型的比赛中，参赛的队员往往很多，裁判员多次重复同一个动作，不仅繁琐、无聊，而且浪费人力，由于裁判员的主观因素造成的误差在所难免，也不能排除裁判员误判的可能。

同理，这些问题和疑虑在学校的体育测验中也同样存在。

为了解决上述问题，为了客观快速准确的测出运动员的成绩，减少裁判员的工作量，避免主观因素的干扰，故研究了这个立定跳远测距系统。

1.2国内外技术概况及发展趋势

目前，国内市场上已经出现了一些立定跳远测距产品。

杭州实惠体育用品有限公司研制开发的立定跳远电脑测距仪已获得国家实用新型利。

大连万国汇通体育投资管理有限公司开发的尤西姆（UOSIM）智能体质测试系统也是为配合国家教育科学规划重点课题的研究及《学生体质健康标准》和体育考试制度的建立而设立的重点投资攻关项目。

其开发的AL6立定跳远测试仪如图1.1所示。

图1.1AL6立定跳远测试仪

该产品的主要功能及特点：

●支持手工输入ID号和IC卡读取两种身份识别方式；

●仪器内可存储最新的1000条测试数据，以备查询；

●测试后数据锁定显示，并可浏览查询；

北京华夏汇海科技有限公司生产的HHTC/LT-100型立定跳远测试仪也是目前市场上很有代表性的一款产品。

HHTC/LT-100型立定跳远测试仪如图1.2所示。

图1.2HHTC/LT-100型立定跳远测试仪

该产品的性能特点：

●具备键盘与非接触卡身份证号码、学号俩种输入模式；

●海量存储15000条测试数据，测试成绩快捷搜索、查询；

●测试结果自动显示，同步语言提示；

●测试数据实时同步，通过远距离无线网络自动送入计算机数据采集系统；

首先可以看到，这些产品每次测试之前都需要输入被测者的姓名、学号等身份信息，大大增加了测试的工作量。

另外，这些均采用了独立的显示、存储模块，最终测试结束之后才将测试结果传送给计算机。

这样不利于数据的快速处理，不符合如今技术发展趋势和人们的工作需求。

如果采用PC直接控制整个系统的方式，就会加快整个测试的进程，并且直接将测试结果等数据进行处理，方便快捷。

1.3论文主要工作概述

1.3.1总体设计

在用户需求分析的基础上，研究国内外当前同类产品的设计方案，认真分析了市场上同类型产品的优点和不足，经过严格的分析和比较，选取合理的设计方案，确定了此立定跳远测距系统应具有的基本功能、系统结构及其精度要求等。

1.3.2系统硬件电路的设计

（1）以AT89C51为核心的发射部分和接收部分电路原理图设计；

（2）采用看门狗电路、555振荡电路、9V电源等完善设计中的各项辅助功能；

（3）RS232串行通信接口电路完成主、分机之间的通信任务；

1.3.3系统软件的设计

软件设计主要是指系统监控程序的设计，即此立定跳远测距系统中各项功能的软件实现方法，其中包括程序流程图的设计和具体的程序设计，采用C语言实现编程。

1.4本章小结

本章通过介绍立定跳远测距系统的研究背景，说明了研究该系统的重要意义。

同时介绍了相关产品的发展现状，通过分析作出总体设计的规划。

2总体方案的设计

2.1设计参数及要求

（1）设计参数

测量精度：

0.Olm

测量距离：

2.5m+lm

（2）设计要求

①性能稳定、精度高、误差小于O.Olm；

②可根据不同对象选择不同的起跳点，以便适用于不同人群；

③设备精美实用，缓冲性能和附着地面性能优良；

④实现PC对整个系统的操作；

2.2测量方案的选择

测距仪是指用来确定某物距离的各种视觉，电子或声觉仪器之一。

目前市场上的测距仪普遍采用导电橡胶或红外线发光二极管的测距方法，二者各有优缺点[2]。

方案一：

导电橡胶测距方案[3]

（1）利用导电橡胶的测距原理

压敏导电橡胶的导电性随着压力的增加电阻变小。

在不受力时一般为绝缘体。

它有2种类型：

①开关型，不受压时为绝缘体（断路），当压力达到一定值后，电阻急剧降低至导电状态（接通）。

②模拟型，其电阻值随压力的变化而逐渐变化。

本方案采用的是开关型压敏导电橡胶，利用其作为测量时的受力传感元件。

（2）利用导电橡胶测距方案的优缺点

优点：

灵敏度高，制作方便；

缺点：

成本较高，易损坏不易维护，使用寿命短。

方案二：

利用红外线发光二极管的测距方案

（1）利用红外线发光二极管的测距原理

红外线发光管具有发光效率高，体积小，截止频率高，使用方便的的特点。

光电控制电路由发射部分，接收部分和信号处理部分组成。

发射部分的主要元件为红外发光二极管。

它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。

目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940rim左右，外形与普通发光二极管相同（见下图），只是颜色不同。

红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。

判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样：

用万用表电阻档量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。

红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉距法来粗略判定。

图2.1红外发光二级管

发光电路由振荡电路和红外发光管HG413组成，电路图如图2.2所示。

图2.2发光电路图

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。

红外光敏二极管的特点：

在实际应用过程中，光敏二极管加反向电压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。

接收电路由光敏二极管，放大驱动电路和负载组成。

由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很多。

如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载（如图2.3）。

该电路的优点是：

电路元件少，电路简单，成本低。

图2.3接收放大电路

为了抑制干扰和噪声，便于进行信号处理，一般将红外线发光二极管内调制成脉冲光源，方波脉冲发生器采用时基集成块---NE555时基集成电路[4]。

时基集成块NE555输出振荡频率由外接电阻R1，R2及电容C1决定：

（2.1）

3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比q为:

（2.2）

电路原理：

T1在没有光照射的时候截止，此时T2基极电位为0，Uout输出为高电平。

当Tl有光照射导通，此时T2有基极偏压，Uout输出为低电平。

当进行测量时，在人脚落地区域排布一定数量的红外线发光二极管，当人脚落地时，必然会挡住红外线发光二极管发出的光，通过软件的处理实现，即可计算出落地最近点距起跳线的距离，即为受测者的立定跳远成绩。

（2）利用红外线测距的优缺点

优点：

灵敏度高，测量速度快，精度高，成本较低，辅助设备简单，易于维护，性能稳定；

缺点：

晶体管的参数具有分散性，且由于负载电流流经晶体管，故电流受到限制，不能超过晶体管集电极最大允许电流；易受太阳光的干扰。

2.3设计方案的确定

根据2.2的分析，从系统实用性及经济性能出发，本立定跳远测距系统采用红外线发光二极管测距的方案，它不仅具有其他三个方案所具有的共有优点，而且制作简单，成本低廉，为了提高产品的性能和市场竞争力。

根据红外线测距原理，设计出测距系统的电路原理图，如图2.4所示。

图2.4测距系统的电路原理图

在测距系统中，在人脚落地区域左右各排布128个二极管，相邻的两个二极管间隔为8mm。

左侧为发光二极管，右侧为光敏二极管，左右两侧二级管一一对应，感应距离大于1米，既每一对二级管（发光管和接收管）的距离大于lm。

设置起跳线为5条，分别为O.5m起跳线，1m起跳线，1.5m起跳线，2m起跳线，2.5m起跳线。

当被测者的脚落在二极管的感应范围内时，单片机把被人双脚（或身体）挡住的光线所对应的红外线发光二极管中的最短的一个距离记录下来，经过软件处理所得的数据，再加上起跳距离的数值即为被测者的立定跳远成绩。

布局如图2.5所示。

其测量过程为：

＞1m

首先通过计算机软件面板，设置测量的基准。

然后采用循环检测方式对128个接收二极管进行检测。

如果发现某一个（或数个）接收二极管低电平，所对应发光管发出的红外线被遮挡，说明有运动员跳过，则单片机计算出运动员所跳的距离。

并把计算的数据传送到到上位机进行处理。

接着对下一个运动员进行测试，循环往复进行。

0米

0.5米

1.0米

1.5米

2.0米

2.5米

图2.5测距布局图

2.4AT89C51单片机简介

单片微型计算机简称单片机。

它是把微型计算机的各个功能部件：

中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、FO接口、定时器