单杠计数器

张豪 赵镇 于靖杰 宋晓峰

摘 要：针对市面单杠计数器功能单一的问题，文中设了集计数、检测、存储和播报功能于一身的单杠计数器，该计数器基于传感器原理、STC89C52技术研制而成，应用前景广阔，应用范围较大，同时还具有安装便利，轻巧等特点，可满足大众需求。

关键词：单杠计数器;AT89C5l单片机;传感器

1 单杠计数器

1.1 作品简介

单杠计数器用于记录使用人员的拉单杠数量。本产品基于51单片机研发，通过光电传感器检测拉单杠是否合格。本产品具有如下功能：

（1）语音报数功能。语音报告合格完成拉单杠动作的数量，若不按照标准运动则不计数，且无语音提示。机器语音报数相对于人工报数不仅更规范，同时减少了人为干扰等因素。

（2）存储多人单杠数量。存储多人单杠数量以进行考核测试等。存储、读出每个测试人员的单杠数量以示公平公正。使用光电传感器检测是否完全过杠更加科学公正，相比人眼观察而言，可减少误差与是否达标的争议。光电传感器回传达标数据，单片机处理后进行计数统计并存储。

1.2 市场前景

中学学业测试、军队士兵测试均有单杠考核，因此社会需求量较大，智能单杠辅助提高仪市场前景广泛。智能检测计数功能大大满足了消费者的需求，既可计算拉单杠者一次拉单杠的个数，又可以科学检测练习者是否满足计数要求，使计数在比赛、练习和考试中更加客观、公正。使用该仪器在团体比赛综合计数时具有如下优点：

（1）可存储多项数据。方便个人进行纵向比较，得出进步或退步的结论，也可以根据记录推断体能高峰，从而设计出更有效、系统的练习方法。对于团体而言，记录多项数据可以方便团体内的横向比较，为强者增添自信，为体能稍差的训练者起到警示和激励的作用。

（2）拥有计数功能。通过传感器准确判断练习者在进行单杠练习时是否能够达到合格要求，以此矫正练习者的姿势，起到辅助提高的作用。同时，计数器还具有显示提醒功能，帮助练习者做到心中有数。

（3）拥有语音播报功能。练习者在练习过程中不用特意查看即可掌握实时情况，直观、有效。

1.3 创新点

现阶段，计数器应用范围广泛，而用于引体向上训练的单杠计数器却未曾在市场中发现。本产品具有如下创新点：

（1）产品针对性强，可优化引体向上训练中的人力物力分配，减少后勤保障压力，对于部队训练的效率提升具有现实意义。

（2）体积小、使用方便，可移动又可以在简单的固定装置下使用，相对于大型保障器材来说，具有更高的安全性，同时，无需进行专业培训。

（3）结构简单，技术成熟。产品使用单片机开发，稳定性好;采用光電感应技术，精度高;可实现精确计数，使用寿命长;移动电源和可充电电池相结合，维护保养方便。

（4）价格低廉，市场前景巨大。目前市场上几乎没有相关器材，而引体向上又是部队体能训练的基础科目，需求量较大，市场宽广。

1.4 工作原理

单杠计数器系统是以51单片机为核心设计，并与直射式光电传感器相结合的自动检测计数系统，具有很高的应用价值和现实意义。

系统上安装的红外传感器可检测脸部是否到达固定高度，经数据整形后传送给51单片机处理，通过按键设置可开启测试和查看储存的各组单杠数量。系统软、硬件系统具有较好的通用性与较高的实际使用价值，针对不同型号的单片机，只需相应改变地址即可替换使用。单片机应用的重要意义还在于从根本上改变了传统检测系统设计方法。之前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法实现。软件代替硬件的检测技术也称为微检测技术，是传统检测技术的一次革命。随着集成技术的发展，51系列单片机继承和发展了MCS-51系列的技术特色，有逐渐取而代之之势。

本设计主要是51单片机在单杠智能辅助训练仪系统中的应用。重点介绍了单片机的最小系统，通过单片机最小系统实现了压力的测量系统，由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取，并在数码管上显示当前的用力间隔时间。利用单片机自身的定时中断、外部中断、计数等功能，不仅能显示出用力方向，还能自动储存数据。

本次所设计的单杠智能辅助训练仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具有实际意义。由于时间比较短，同时本人掌握的知识有限，本次设计虽已完成，但其中有很多不足，如程序不够简练，电路板不够美观，压力传感器灵敏度不够高，数码管显示部分不够完美等，在设计过程中使用的运放数量也较多，加大了电源管理的复杂度。然而科技的进步势必会使单杠智能辅助训练仪的功能日益强大和完善，其应用领域将不断扩大，会给我们的生活带来更多方便和精彩。

2 技术路线

2.1 单杠计数器的结构

单杠计数器是将光电传感器作为变换原件，把采集到的检测信息转换为电信号，利用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统由光电传感器、信号处理模块、单片机电路、数码管、电源等组成。

2.1.1 光电传感器

光电传感器是将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，由红外发射二极管和接收三极管组成，可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（电压、电流或频率等）并输出。

2.1.2 信号处理

该部分是处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。

2.1.3 单片机电路

利用单片机自身定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算，得出心率（包括STC89C52、外部晶振、外部中断等）。

2.1.4 数码管显示

把单片机计算处理的单杠数量用数码管显示，便于直接观察。

2.1.5 电源

该部分向光电传感器、信号处理、单片机提供电源，多选用5 V直流稳压电源。

2.2 图示工作原理

本设计将单片机STC89C52作为检测核心，实现单杠计数器的基本测量功能。

3 STC89C52

AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4 KB可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，可灵活应用于各种检测领域。

3.1 STC89C52 的特点

STC89C52具有如下特点：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容;

（2）4 KB可重擦写FLASH闪速存储器;

（3）1 000次擦写周期;

（4）全静态操作：0 Hz～24 MHz;

（5）三级加密程序存储器;

（6）128*8 B内部RAM;

（7）32个可编程I/O口线;

（8）2个16位定时/计数器;

（9）6个中断源;

（10）可编程串行UART通道;

（11）低功耗空闲和掉电模式。

3.2 STC89C52 的结构

此次设计所使用的STC89C52 的封装形式为DIP40。

3.2.1 引脚功能

引脚具有如下功能：

（1）VCC：电源电压。

（2）GND：接地。

（3）P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。

（4）Pl口：P1是—个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出信号。

（5）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流信号。

（6）P3口：既可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备，又可以作为第二功能使用，每一位功能定义见表1所列。

（7）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平后将使单片机复位。

（8）ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡器频率的1/6输出固定的正脉冲信号，可对外输出时钟或用于定时。

（9）PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令或数据时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号均不出现。

（10）EA/VPP：EA=0，单片机只访问外部程序存储器;EA=1，单片机访问内部程序存储器。

（11）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

（12）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.2.2 信号放大

经红外检测采集并转换得到的电信号频率极低。为防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤除绝大部分的高频干扰。而且单杠计数器所使用的地点无法保证是阴暗的室内，所以要考虑强光对测量的干扰。此外，低频信号需要经过多倍放大和整形才能被主控模块接受和处理。

信号转换模块会使用LM358运算放大器。LM358内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。其使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。具有如下特性：

（1）具有内部频率补偿;

（2）直流电压增益高（约100 dB）;

（3）单位增益频带宽（约1 MHz）;

（4）电源电压范围宽：单电源（3～30 V）;

（5）双电源（±1.5～±15 V）;

（6）低功耗电流，适合电池供电;

（7）低输入偏流;

（8）低输入失调电压和失调电流;

（9）共模输入电压范围宽，包括接地;

（10）差模输入电压范围宽，同电源电压范围;

（11）输出电压摆幅大（0～VCC-1.5 V）。

3.2.3 放大电路

低通放大电路。RW1，C6，C8，C9组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R8，C6，C8，C9决定，运放U2A将信号放大，放大倍数由R8和RW1的比值决定。

波形整形电路。U2B是一个电压比较器，在电压比较器的负向电压输入端通过R9，R10分压得到2.5 V基准电压，放大后的信号通过C7电容耦合进入比较器，当输入电压低于2.5 V时，U2B的第七引脚输出高电平，发光二极管D2亮，并且单片行参与运算处理，反之输出低电平，发光二级灭。

3.2.4 單片机处理电路

单片机处理电路。本部分将ATMEL公司设计生产的STC89C52单片机作为核心，以更快更准确地对数据进行运算，同时还可以根据实际情况编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。

来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机STC89C52的/INTO脚，单片机设为负跳变中断触发模式，通过P0口检测液晶显示。

3.2.5 显示电路

一些小型设备或小型检测系统一般由单片机组成控制系统，为了降低成本，这些小型系统中的显示一般由数码管（LED）组成，常见的数码管有7段、8段和16段。

数码管是8个发光二极管，以两种方式连接，如果将其阴极连在一起，则构成共阴数码管;如果将其阳极连在一起，则构成共阳数码管。

4 软件程序流程

系统主程序检测单片机系统按预定的操作方式运行，是单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口工作状态的设定。系统初始化后进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件检测不同的子程序。

源程序略。