基于AT89C51的場地自行車起跑器控制系統設計

關天民，孫鐸，軒亮

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

?

基于AT89C51的場地自行車起跑器控制系統設計

關天民，孫鐸，軒亮

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

為了能進行起跑專項訓練來提高場地自行車比賽成績，設計了以AT89C51單片機為主控的場地自行車起跑器控制系統，同時介紹了起跑器控制系統的整體設計思路、硬件系統和相應軟件的設計.該系統結構簡單、實用性強，可以測量運動員的起跑反應時間，并且可以測量運動員騎行一定距離所用時間.

AT89C51;自行車起跑器;控制系統

0 引言

如今人類的各種運動都在向極限的成績逼近，并且逼近極限的速度越來越慢，因為現在運動成績想要提高0.1 s、甚至0.01 s，都要付出巨大的努力.運動員要提高運動成績，除了自身的努力與科學的訓練方法以外，進行專項的訓練也顯得越來越重要.除此之外，對運動員的訓練效果進行科學的測量，對運動員提高運動技巧也有很大幫助.

從自行車項目比賽中對運動員比賽啟動階段分析，我國運動員和國際頂尖運動員尚有0.3 s左右的差距.所以自行車項目中的起跑技術自然也就成了運動員提高運動成績的一個潛力最大的環節.該設計為我國自行車運動員量身定做的新型訓練工具.運動員通過此設計的專項訓練后可掌握啟動規律，將起跑時的差距減少甚至彌補，在比賽中獲得更好的成績.

1 總體構架

運動員使用起跑器進行專項訓練時，為保證訓練數據的準確性，需要氣動閥開啟時間、顯示牌倒計時時間和喇叭發聲時間保持同步.此外顯示部分要清晰.運動員還需掌握自己的反應時間，以便在比賽時可以提前發力，縮短起跑時間.另外為了對比賽全程進行分析，還需要具備到達一定距離所用時間的測量功能.

根據以上需求，本設計需要實現的功能見表1.

表1 起跑器功能表

根據以上需要，本設計以AT89C51單片機為主控，由以下幾部分組成：

(1)單片機控制模塊，功能為控制各模塊工作，計時，與上位機通信；

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

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

(4)定長計時裝置，檢測運動員到賽道上任意距離所用時間；

(5)上位機模塊，顯示、記錄訓練數據.

系統整體框圖如圖1所示：

圖1 系統整體框圖

2 功能模塊的設計與開發

2.1 主控模塊

主控制器是核心部件，作用為控制發令子系統，測量時間，與上位機通訊，及協調各部分工作.根據系統需要，控制器采用AT89C51單片機.AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器[2].AT89C51具有128字節內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路.此單片機成本低,穩定性好,能滿足本設計要求.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.機器周期為12*(1/12M)=1 us.因為我們可以知道每條指令執行的機器周期數，所以就可以確定每條指令的執行時間，并據此來進行各部分時間參數的調整.各模塊之間通過RS-232接口實與AT89C51單片機的數據通信.監測數據通過數據總線上傳至上位機，并由上位機進行分析處理，并且通過上位機進行時間參數設置.

圖2 AT89C51引腳圖

2.2 發令子系統

發令子系統包括顯示屏、發令喇叭和氣動系統.

(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.主控制器的倒計時時間經RS232C通訊口傳給顯示屏，顯示屏的控制器根據自定義通訊協議進行翻譯輸出，經驅動電路點亮相應的LED，顯示時間[3].

(2)發令喇叭

為了保證訓練數據的科學性與準確性，需要考慮到聲音傳播的時間，假設法令喇叭到運動員的距離有1m，則發令員的槍聲到第一道運動員需要0.002 9 s(聲速按340 m/s 來計算)， 為了消除聲音傳播對運動員成績帶來的誤差，需要在后期數據中進行補償.

(3)氣動系統

氣動系統的功能是夾緊自行車并在發令槍響時及時松開.設計氣動系統時應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，由主控制器發出的發令信號也能把氣缸松開.兩夾緊氣缸同步可調，保證自行車被夾在中間.按需要夾緊頭不應轉動，所以氣缸桿應防轉.氣動系統采用日本SMC的氣動元件，依據要求設計氣動系統原理，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接受發令信號后使氣缸7松開，這樣就能保證發令時氣缸及時松開.單向節流閥6調節兩氣缸7同步.

圖3 氣動原理

在起跑時，屏幕開始顯示10 s的倒計時同時提示音響起，當倒計時結束時，發出提示音的同時自行車夾緊裝置松開.主控制器的倒計時時間經RS232C通訊口傳給顯示屏，顯示屏的控制器根據自定義通訊協議進行翻譯輸出，經驅動電路點亮相應的LED，顯示時間.發令喇叭有兩種，一是提示聲，另一種是槍聲，分別在在倒計開始與時結束時響.顯示比賽開始時間、發令聲、氣閥開啟時間同步是研制起跑器的關鍵.

2.3 反應時間檢測裝置

反應時間檢測裝置作用為測量運動員的反應時間，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，當自行車產生位移時，光電傳感器發信給主控制器，主控制器計算出發令槍響與自行車產生位移時的時間差，精度可達1 ms.

2.4 定長計時裝置

定長計時裝置用于記錄從起跑到任意設定距離所用時間.共有四個檢測計時通道，可在賽道布置四個檢測點，如果是環形賽道，每個檢測點可測量多次.所有的檢測結果由主控制器通過RS232C上傳給上位機，進行分析和長期保存.每個檢測點由一個TCRT5000 紅外反射式光電傳感器及一個無線發射裝置組成，由3.7 V鋰電池供電.本系統采用RF4432PRO模塊傳輸數據.RF4432PRO模塊采用的是Silicon Lab Si4432器件，這是一款高度集成的無線ISM頻段收發芯片.當光電傳感器運動員通過檢測點時，無線發射模塊產生無線電波，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，控制器響應中斷，計算并記錄時間并上傳到上位機.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的設計時，要求系統具有較高的可靠性.

2.5 上位機模塊

上位機模塊用于顯示與記錄運動員訓練數據，通過總線將訓練信息傳至上位機，由上位機顯示與分析儲存[6].同時控制系統的時間參數也通過上位機設置.上位機程序在LabVIEW中實現.LabVIEW可以使用mscomm控件或者VISA來進行串口通信，但是mscomm控件編程復雜，所以本設計中使用VISA.VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口(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立的可方便調用的標準I/O底層函數.

在LabVIEW中使用的visa，首先要配置 VISA串口，設定波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、等參數，將VISA資源名稱指定的串口按特定設置初始化，程序界面如圖4所示.

(a) 設置界面

(b) 訓練測試界面

3 單片機程序設計

軟件是控制系統的重要組成部分之一.首先繪制出基本的程序執行流程，按啟動鍵后，倒計時開始，倒計時結束的同時發令聲響、夾緊氣缸松開、綠燈亮，同時開始計時.自行車離開起跑器時觸發外部中斷，計算出反應時間并儲存在數據寄存器.

當自行車依次通過4個計時點時，分別觸發另4個外部中斷，同樣計算出時間，并保存在寄存器中，當騎行到達終點時，程序自動結束.也可再按啟動按鈕，強制程序結束.程序用C語言編寫，程序流程圖如圖5所示.

4 結論

本文以AT89C51單片機為主控對自行車起跑器控制系統進行設計.在設計與開發中遵照模塊化思想，提高各模塊的獨立性的同時又降低模塊之間的數據依賴，所以該系統結構簡潔，運行穩定，利于使用與維護.該系統實現了測量運動員的反應時間以及騎行一定距離所用時間等功能.可以讓運動員進行專項的起跑訓練，提高比賽成績.

圖5 程序流程圖

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

[2]李朝青.PC機與單片機&DSP數據通信技術選編(3)[M].北京:北京航空航天大學出版,2004:56-120.

[3]樓然苗,李光飛.51系列單片機設計實例(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版,2006:89-152.

[4]李非.徑賽起點信號處理系統開發[D].保定：河北農業大學,2008.

[5]揚森.電子設計自動化手冊[M]. 北京:電子工業出版社,2005:18-110.

[6]李朝青.PC機與單片機&DSP數據通信技術選編(3)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:56-120.

[7]沙占友,王彥明,孟志永.單片機外圍電路設計[M].北京:電子工業出版社,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

大連市科技計劃資助項目(2014A11CX043)

關天民(1963-)，男，教授，博士，主要從事新型擺線輪傳動、先進運動與康復器械、人機工程的研究E- mail:gtm@djtu.edu.cn.

A