基于STM832單片機兒童智能籃球架的設計與實現

摘 要：文章介紹了采用單片機STM32F103C8T6為主控模塊，使用光電傳感器、壓力傳感器、LED燈等設計外圍電路，制作一個具有智能化、多功能、多玩法、安全可靠、成本低等優點的智能籃球架。

關鍵詞：STM32單片機；智能籃球架；傳感器；兒童玩具

隨著電子信息技術的不斷革新，目前的國內外玩具已經集光、機、電等為一體。對目前國內外兒童玩具市場、兒童籃球架市場分別進行了詳細分析和論證，在了解目前玩具行業市場、籃球架行業市場細分情況下，作者設計了一款面向兒童的智能籃球架。其主要分為硬件設計和軟件設計，以單片機STM32F103C8T6、光電傳感器、壓力傳感器等為硬件基礎，通過軟件編程實現籃球架的定時與非定時投籃、定點與非定點投籃等各種功能。研制出來的籃球架樣機符合要求，設計思路可行。

1 硬件設計部分

1.1 主控模塊設計

STM32F103C8T6增強型系列使用高性能的ARM？誖 CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。STM32F103C8T6芯片功耗低、成本較低、性能好，能充分地實現智能籃球架的功能，同時也方便以后對智能籃球架的升級與改良。

1.2 籃球感應器模塊設計

智能籃球架使用光電傳感器M18光電開關來檢測籃球是否投中籃筐。M18光電開關采用紅外線檢測，為漫反射型檢測方式，供電電壓為DC 10-30V，檢測距離30CM內可調。在籃筐上下5CM處分別安裝兩個M18光電開關，通過軟件編程使得當兩個傳感器一次檢測到籃球時，記錄進一球，亮一盞指示燈，借此來檢測籃球是否投中，這樣的設計經過驗證，進球準確率接近100%，傳感器實物圖如圖1。

1.3 相關LED燈模塊設計

智能籃球架中的LED燈模塊包括進球指示燈、進度條指示燈、大獎走馬燈三部分。進球指示燈采用單個引腳接通一個LED燈，當進一顆球時，對應點亮一個燈；進度條指示燈同樣采用一個引腳接一個LED燈，通過程序設計在一定時間內點亮一個燈，在規定時間內把所有燈點亮時表示時間已到；大獎走馬燈采用LED3528彩色燈帶，由于需要5v驅動，通過一個三極管起到開關作用。彩帶一端接地，在PB5引腳被拉高時，三極管導通，彩帶燈滅。同理引腳拉地時彩帶燈亮起來。其中跑馬燈由兩部分組成。一部分是控制器部分，另一部分是燈帶部分。走馬燈電路設計原理圖如圖2，LED燈模塊總體布置如圖3。

1.4 壓力傳感器模塊設計

智能籃球架能設置定點投籃與非定點投籃模式。當設置定點投籃模式，采用XGZP系列壓力傳感器檢測壓力，當傳感器檢測到有壓力產生時，引腳輸出0.5-4.5v電壓值，通過主控模塊PB1腳采集數據并判斷是否產生壓力，以此來判斷投籃進球是否有效，若PB1腳采集不到0.5-4.5v的電壓值，即使投中也視為沒有投中。

2 軟件設計部分

智能籃球架使用STM32單片機作為主控模塊，采用C語言進行編程。在主程序中，程序初始化后會先進行智能籃球架玩法的模式選擇（模式0是非定時非定點模式，1是定時非定點，2是定點非定時，3是定時定點），然后根據選擇的模式再進入對應模式的子程序模塊，開始投籃進球檢測，直到通過按鍵（重啟，關機或使用新模式）退出為止。以模式0即非定時非定點模式為例，選擇模式0進入非定時非定點模式的子程序模塊后，首先進行中斷等程序初始化，接著通過兩個光電傳感器使用兩個外部中斷檢測籃球，當兩個傳感器依次檢測到籃球，會分別輸出十幾伏特的電壓，這個電壓信號經過三極管電路進行電平轉換，輸出低電平。當單片機引腳接收到該低電平信號，程序會點亮一盞LED指示燈，并將進球數加1，當進球數滿5時，通過程序把進球數清0，并讓大獎走馬燈亮5秒，然后回到初始狀態，直到通過按鍵（重啟，關機或使用新模式）退出為止，如圖4為非定時非定點模式子程序流程圖。

3 軟硬件調試部分

3.1 調試中需要注意的問題

第一，關于傳感器檢測籃球的感應距離調試問題：當需要使用較小的籃球投籃時，為了保證能準確地感應到籃球是否投中，必須將傳感器的感應距離調的更大；第二，關于傳感器檢測程序的調試問題：判斷到進球需要兩個傳感器都感應到籃球，而且籃筐上面的傳感器先感應到籃球，下面的后感應到籃球，所以寫程序時需要先判斷上面的傳感器發給單片機的信號，并用一個變量保存，再處理下面傳感器發的信號，且對保存的信號進行判斷。

3.2 關于對進球準確率的研究

為了研究用不同直徑的籃球和不同的傳感器感應距離對主控芯片判斷進球的準確率的影響，在傳感器感應距離為10cm、20cm、30cm的3種情況下，分別使用直徑為18cm、15cm、10cm、7cm的4種大小的籃球對實驗樣機各進行200次投籃，并且分別統計該12種情況下，200次投籃中實際投中的進球數b和200次投籃中主控芯片判斷的有效進球數c，最后分別計算主控芯片在200次投籃中對進球判斷的準確率a（a=c/b），得出的研究結果如表1和圖5所示，從結果可以看出在保證準確率和節省供電的要求下，在使用本智能籃球架時，建議設置感應距離為20cm左右，并采用直徑為10～15cm的籃球比較合適。

4 結束語

該智能籃球架功能齊全、玩法多樣、安全可靠、成本低廉，其功能、玩法、外觀都是面向兒童而設計，而且采用的電子元器件是是市場上常見的、性價比好的。經過測試樣機，證明設計思路與實現方法可行，符合預期要求。而今后，作者還會從功能、功耗、成本等方面對籃球架進行改進和完善，使該智能籃球架更物美價廉。

參考文獻

[1]孫公道，普仕凡.基于80C51單片機的投籃游戲機設計與實現[Z].中國人民解放軍91550部隊，2012（4）.

[2]王濤.基于SPG260單片機的三分投籃游戲設計與實現[D].西安航空學院，2015（1）.

[3]蘇航.兒童籃球運動興趣培養的行動研究[D].吉林大學，2014（6）.

[4]朱祺.我國玩具產業發展現狀及對策研究[Z].內蒙古發展研究中心，2012（7）.

[5]秦丹妮，韋內靈.影響少年兒童籃球興趣的因素分析[J].體育科技，2008（7）.

作者簡介：陳錦泉（1994-），男，漢族，廣東中山人，通信工程專業本科生，主要從事電子信息技術的應用研究。