跳绳计数仪

作者/王熠杨，郑州外国语新枫杨学校

跳绳计数仪

作者/王熠杨，郑州外国语新枫杨学校

随着科学技术的发展进步以及社会对于健康和运动的重视，再加上人们对跳绳运动越来越喜爱，因此对于跳绳计数有了新的要求。基于此，本设计制作了一款新的计数器来解决跳绳的计数问题。本设计采用激光对射传感器进行跳绳次数的检测，在单片机中利用中断的方式，简化了程序，提高了效率。利用液晶显示器，方便高效的完成了显示。

单片机；中断；激光对射传感器

绪论

现在的跳绳普遍具有计数功能，采用的方法都是检测手柄的转动次数。计数跳绳是采用齿轮转动机械计数原理，能自动记录跳绳次数。这种方法简单实用，完全可以满足日常运动的计数需要，极大地减少了人力计数的不便，但是该种计数方式有时会出现一定的偏差，主要是由于内部结构的不够精确导致的。为了追求计数的准确，红外线计数方式应运而生。该种方式是利用计算激光被阻断的次数来获得跳绳的次数的。一次跳绳是指跳绳完整环绕身体一周的过程。采用该种方法计数误差小、测量准确、成本低廉，极大地缓解了人为计数造成的误差。但是这种计数方式也有一些不足，例如在一些情况下，由于距离的原因导致跳绳已经环绕了身体一周，但是并没有阻断激光导致计数失败。在另外一些情况下，由于跳绳材质的问题，比如透明材料，可能起不到阻挡激光的作用。还有一种情况，在跳绳过程中由于姿势体位等不规范，也有可能造成计数误差。由于现在的升学考试中，跳绳也是一项考核科目，因此制作一款可靠的跳绳计数器显得尤为重要。

1.总体设计

本设计做的是一款关于跳绳计数的系统，需要完成精确的跳绳计数。该设计需要解决的问题分为三个方面。第一方面为跳绳的计数，第二方面为数据信息内部的运算，第三方面为数据的显示。对于跳绳的计数，本设计决定采用激光对射传感器。对于数据信息内部的运算与转换，本设计拟采用单片机完成该项任务。而对于数据的显示，本设计决定采用液晶显示器来完成。本设计的结构图如图1所示。

图1 系统结构图

本设计中激光对射传感器用于检测跳绳次数，并将该信息传递给单片机。单片机接收到激光对射传感器传输过来的信息后，经过内部处理运算，再发送命令给液晶显示器。液晶显示器接收到命令后进行显示。

2.硬件设计

单片机作为本设计的神经中枢，主要起着信号的接收、数据的运算以及命令的传送。单片机作为一种微型计算机系统，实质为一种超大规模集成电路，在工业控制领域的应用非常广泛。单片机将中央处理器CPU、存储器、多种I/O口以及定时/计数器集成在一起，这就使得单片机集信息的接收、运算与传送为一体，这也为单片机的发展奠定了基础早期的单片机只有四位或者八位，经过近三四十年的发展，单片机对于数据的处理能力已经提高了几百倍，高端的主频都达到了三百多兆赫兹。目前的单片机体积小、质量轻、价格便宜、性能卓越，很适合学习、应用和开发。并且，学习使用单片机对于了解计算机原理和结构很有帮助。目前的单片机在智能仪器、工业控制、家用电器、网络和通信、模块化设计、工商、金融、科研、教育和国防航空航天等多领域都有十分广泛的用途。其中的AT89C51型单片机是一款在教学领域应用非常广泛的单片机，对于初学者是一个非常不错的选择。另一方面，其功能非常强大，其数据保存时间可以达到十年。功耗很低，内部的RAM为128×8位。该单片机的可擦除只读存储器可反复擦除的次数可以达到一千次，尽管现在的AT89C51已经被AT89S51取代，但对于本设计来说，还是一个很不错的选择。

对射型传感器由发射端发射光线，接收端接收光线。由物体经过发射端与接收端的中间区域，将光线切断，接收端就会输出信号。本设计通过检测输出信号的次数就可以计算出跳绳的次数。对射型传感器所基于的原理为光电效应。光电效应由德国物理学家赫兹在1887年发现，其正确的解释由爱因斯坦提出，他也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。光电效应是指在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。考虑到对于跳绳检测的准确性的需要，本设计发射端发出的光拟采用激光。激光的高方向性使其在传递较长的距离的同时，还能保证不散射。本设计的激光对射传感器的检测距离可达几米至几十米。激光对射传感器的运用目前也非常广泛，在门禁、计数以及安保方面都可以遇见激光对射传感器的身影。

液晶显示器是一种很薄的显示设备，主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。液晶同时具备液体与固体的性质，在常态下呈现液态，但是分子排列和固体晶体一样非常规则。这也是其名称的由来。给液晶施加一个电场，其分子排列就会改变，在此时配合偏振光片，就会起到阻止光线通过的作用。通过配合彩色滤光片，并适当的改变电压，就可以改变某一颜色透光量的多少，这也是彩色液晶显示器的原理。液晶显示器用处非常广泛，从最开始的数字式的手表、计算器到现在手机、液晶电视再到大型的显示屏，无一不是液晶的杰作。液晶由于其厚度薄、价格低廉、显示功能强大以及能耗低，越来越得到社会的青睐，得到了很好的发展。现如今几乎所有的显示设备都是液晶显示器。并且，现在的液晶显示器技术非常成熟，显示屏的分辨率已经能够满足各方面领域的要求。本设计采用的液晶显示器为LCD1602。该种液晶显示器功耗低，使用寿命长，操作简单高效。它由32个5×7点阵字符位组成，可以有效的显示字符以及数字，但对于图画的显示，其效果并不够理想。但已经完全满足了本设计的需要。

图2 LCD1602

3.软件设计

本设计需要解决的软件方面的问题主要包括对所接收到的信息进行转化以及液晶显示器的显示。对于液晶显示器的每一个显示字符，都对应有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码为01000001B，换算为16进制即为41H，显示模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。在单片机对于信号的转化方面，为了更加高效，本设计采用了中断处理。中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。本设计系统实时检测对射传感器传输的电平信号，在接收到高电平信号（对射传感器检测到物体时输出高电平信号）后，程序进入中断。每进一次中断，液晶显示器所显示的数字自加一，达到计数的功能。本设计的程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

4.结论

传统的跳绳计数方法存在一些计数不准确的弊端，而本设计通过最简单的原件，实现了精准计数的功能，完全达到了最初的设计标准。传统的计数方法对于普通的跳绳运动是已经完全够用了，但对于日益发达的科技以及社会对于事物的精准要求来说，传统的计数方法还是有一些不足，对于一些测试或者活动来说，丝毫的偏差可能就要产生很严重的后果。本设计的制作过程，对于了解单片机、应用单片机起到了重要的作用，并且对于液晶以及光电效应等，笔者又有了更深的理解。经过详细的分析论证，本设计是完全正确合理的。本设计已经不仅仅局限于跳绳计数，稍加改造还可以应用到别的领域。例如在工厂的流水线上，完全可以应用本设计对于产品进行计数。经过改造，本设计还可以对转速进行测量。此外，智能感应门与本设计的原理也基本相同。激光对射原理在防盗领域应用也非常广泛。相信在不久之后，本设计或者是类似于本设计的装置将会有很大的发展。

＊ [1]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社.1992.

＊ [2]郭惠，吴讯.单片机C语言程序设计完全自学手册[M].北京：电子工业出版社.2008.10.

＊ [3]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社.2009.1.

＊ [4]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社.1992.