跳繩計數儀

作者/王熠楊，鄭州外國語新楓楊學校

跳繩計數儀

作者/王熠楊，鄭州外國語新楓楊學校

隨著科學技術的發展進步以及社會對于健康和運動的重視，再加上人們對跳繩運動越來越喜愛，因此對于跳繩計數有了新的要求。基于此，本設計制作了一款新的計數器來解決跳繩的計數問題。本設計采用激光對射傳感器進行跳繩次數的檢測，在單片機中利用中斷的方式，簡化了程序，提高了效率。利用液晶顯示器，方便高效的完成了顯示。

單片機；中斷；激光對射傳感器

緒論

現在的跳繩普遍具有計數功能，采用的方法都是檢測手柄的轉動次數。計數跳繩是采用齒輪轉動機械計數原理，能自動記錄跳繩次數。這種方法簡單實用，完全可以滿足日常運動的計數需要，極大地減少了人力計數的不便，但是該種計數方式有時會出現一定的偏差，主要是由于內部結構的不夠精確導致的。為了追求計數的準確，紅外線計數方式應運而生。該種方式是利用計算激光被阻斷的次數來獲得跳繩的次數的。一次跳繩是指跳繩完整環繞身體一周的過程。采用該種方法計數誤差小、測量準確、成本低廉，極大地緩解了人為計數造成的誤差。但是這種計數方式也有一些不足，例如在一些情況下，由于距離的原因導致跳繩已經環繞了身體一周，但是并沒有阻斷激光導致計數失敗。在另外一些情況下，由于跳繩材質的問題，比如透明材料，可能起不到阻擋激光的作用。還有一種情況，在跳繩過程中由于姿勢體位等不規范，也有可能造成計數誤差。由于現在的升學考試中，跳繩也是一項考核科目，因此制作一款可靠的跳繩計數器顯得尤為重要。

1.總體設計

本設計做的是一款關于跳繩計數的系統，需要完成精確的跳繩計數。該設計需要解決的問題分為三個方面。第一方面為跳繩的計數，第二方面為數據信息內部的運算，第三方面為數據的顯示。對于跳繩的計數，本設計決定采用激光對射傳感器。對于數據信息內部的運算與轉換，本設計擬采用單片機完成該項任務。而對于數據的顯示，本設計決定采用液晶顯示器來完成。本設計的結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

本設計中激光對射傳感器用于檢測跳繩次數，并將該信息傳遞給單片機。單片機接收到激光對射傳感器傳輸過來的信息后，經過內部處理運算，再發送命令給液晶顯示器。液晶顯示器接收到命令后進行顯示。

2.硬件設計

單片機作為本設計的神經中樞，主要起著信號的接收、數據的運算以及命令的傳送。單片機作為一種微型計算機系統，實質為一種超大規模集成電路，在工業控制領域的應用非常廣泛。單片機將中央處理器CPU、存儲器、多種I/O口以及定時/計數器集成在一起，這就使得單片機集信息的接收、運算與傳送為一體，這也為單片機的發展奠定了基礎早期的單片機只有四位或者八位，經過近三四十年的發展，單片機對于數據的處理能力已經提高了幾百倍，高端的主頻都達到了三百多兆赫茲。目前的單片機體積小、質量輕、價格便宜、性能卓越，很適合學習、應用和開發。并且，學習使用單片機對于了解計算機原理和結構很有幫助。目前的單片機在智能儀器、工業控制、家用電器、網絡和通信、模塊化設計、工商、金融、科研、教育和國防航空航天等多領域都有十分廣泛的用途。其中的AT89C51型單片機是一款在教學領域應用非常廣泛的單片機，對于初學者是一個非常不錯的選擇。另一方面，其功能非常強大，其數據保存時間可以達到十年。功耗很低，內部的RAM為128×8位。該單片機的可擦除只讀存儲器可反復擦除的次數可以達到一千次，盡管現在的AT89C51已經被AT89S51取代，但對于本設計來說，還是一個很不錯的選擇。

對射型傳感器由發射端發射光線，接收端接收光線。由物體經過發射端與接收端的中間區域，將光線切斷，接收端就會輸出信號。本設計通過檢測輸出信號的次數就可以計算出跳繩的次數。對射型傳感器所基于的原理為光電效應。光電效應由德國物理學家赫茲在1887年發現，其正確的解釋由愛因斯坦提出，他也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。光電效應是指在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。考慮到對于跳繩檢測的準確性的需要，本設計發射端發出的光擬采用激光。激光的高方向性使其在傳遞較長的距離的同時，還能保證不散射。本設計的激光對射傳感器的檢測距離可達幾米至幾十米。激光對射傳感器的運用目前也非常廣泛，在門禁、計數以及安保方面都可以遇見激光對射傳感器的身影。

液晶顯示器是一種很薄的顯示設備，主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。液晶同時具備液體與固體的性質，在常態下呈現液態，但是分子排列和固體晶體一樣非常規則。這也是其名稱的由來。給液晶施加一個電場，其分子排列就會改變，在此時配合偏振光片，就會起到阻止光線通過的作用。通過配合彩色濾光片，并適當的改變電壓，就可以改變某一顏色透光量的多少，這也是彩色液晶顯示器的原理。液晶顯示器用處非常廣泛，從最開始的數字式的手表、計算器到現在手機、液晶電視再到大型的顯示屏，無一不是液晶的杰作。液晶由于其厚度薄、價格低廉、顯示功能強大以及能耗低，越來越得到社會的青睞，得到了很好的發展。現如今幾乎所有的顯示設備都是液晶顯示器。并且，現在的液晶顯示器技術非常成熟，顯示屏的分辨率已經能夠滿足各方面領域的要求。本設計采用的液晶顯示器為LCD1602。該種液晶顯示器功耗低，使用壽命長，操作簡單高效。它由32個5×7點陣字符位組成，可以有效的顯示字符以及數字，但對于圖畫的顯示，其效果并不夠理想。但已經完全滿足了本設計的需要。

圖2 LCD1602

3.軟件設計

本設計需要解決的軟件方面的問題主要包括對所接收到的信息進行轉化以及液晶顯示器的顯示。對于液晶顯示器的每一個顯示字符，都對應有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼為01000001B，換算為16進制即為41H，顯示模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。在單片機對于信號的轉化方面，為了更加高效，本設計采用了中斷處理。中斷是指計算機運行過程中，出現某些意外情況需主機干預時，機器能自動停止正在運行的程序并轉入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續運行。本設計系統實時檢測對射傳感器傳輸的電平信號，在接收到高電平信號（對射傳感器檢測到物體時輸出高電平信號）后，程序進入中斷。每進一次中斷，液晶顯示器所顯示的數字自加一，達到計數的功能。本設計的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4.結論

傳統的跳繩計數方法存在一些計數不準確的弊端，而本設計通過最簡單的原件，實現了精準計數的功能，完全達到了最初的設計標準。傳統的計數方法對于普通的跳繩運動是已經完全夠用了，但對于日益發達的科技以及社會對于事物的精準要求來說，傳統的計數方法還是有一些不足，對于一些測試或者活動來說，絲毫的偏差可能就要產生很嚴重的后果。本設計的制作過程，對于了解單片機、應用單片機起到了重要的作用，并且對于液晶以及光電效應等，筆者又有了更深的理解。經過詳細的分析論證，本設計是完全正確合理的。本設計已經不僅僅局限于跳繩計數，稍加改造還可以應用到別的領域。例如在工廠的流水線上，完全可以應用本設計對于產品進行計數。經過改造，本設計還可以對轉速進行測量。此外，智能感應門與本設計的原理也基本相同。激光對射原理在防盜領域應用也非常廣泛。相信在不久之后，本設計或者是類似于本設計的裝置將會有很大的發展。

＊ [1]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.1992.

＊ [2]郭惠，吳訊.單片機C語言程序設計完全自學手冊[M].北京：電子工業出版社.2008.10.

＊ [3]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社.2009.1.

＊ [4]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.1992.