基于無線通信的籃球進球自動計數器

楊葉康

（山東理工職業學院，山東濟寧， 272067）

1 總體設計

本文提出的籃球進球自動計數器分為兩個大的模塊。其中主控模塊由單片機、NRF24L01 無線通信模塊、LCD1602液晶顯示器、蜂鳴器組成，從板由單片機，超聲波傳感器、NRF24L01 無線通信模塊組成。兩塊電路板都由五節五號電池串聯供電。系統框圖如圖1、2 所示。

圖2 從板結構框圖

其中，在從板中，超聲波測距傳感器將在籃筐下檢測籃球與籃板的距離，當距離小于某個閾值，則認定為進球有效。在從板上的超聲波傳感器檢測到進球的同時，從板上的NRF24L01 無線通信模塊會和主板上的NRF24L01 無線通信模塊進行通信，從板把進球信息傳輸到主板，主板對進球數加一，并顯示在LCD1602 液晶顯示器上，同時蜂鳴器響一聲，來通過聲音提示進球成功。

2 硬件設計

本文提出的籃球進球自動計數器硬件設計由AD21 完成。其電路圖如圖3、4 所示。

圖3 主板硬件電路圖

圖4 從板硬件電路圖

其中，在主板中，硬件電路包括單片機最小系統，蜂鳴器模塊電路，供電模塊電路，LCD1602 液晶顯示模塊電路，NRF24L01 無線通信模塊電路。

從板硬件電路包括單片機最小系統，供電模塊電路，超聲波測距模塊電路，NRF24L01 無線通信模塊電路。

以下無論是主板還是從板，對以上提到過的電路進行一一介紹，不重復介紹。

■2.1 單片機最小系統電路

本文提出的籃球進球自動計數器采用STC89C52RC 作為主控芯片。由于該芯片不自帶晶振，所以需要外接晶振。芯片外接晶振的引腳為第18 和第19 引腳。外接晶振的同時，每個引腳接一個33pF 的電容，電容一端接在晶振引腳上，一端接地，電容的作用是濾波。

復位電路在獨立按鍵兩個引腳之間接一個10μF 的電解電容，在電解電容的負極接一個10kΩ 的電阻，電阻的另一端接地。在單片機的第20 引腳和第40 引腳分別接地和電源。之所以在第40 腳電源端接一個104pF 的電容連接到地端，是因為電源有可能不穩定，用于濾波。

■2.2 供電模塊電路

由于本設計的主板和從板都是用五節五號電池供電。因為每節五號電池的電壓為1.5V，所以五節加起來共有7.5V 的電壓，而本文所選單片機、超聲波傳感器、蜂鳴器、LCD1602 液晶顯示器的工作電壓是5V，NRF24L01 無線通信模塊的工作電壓是3.3V，所以需要降壓。

從7.5V 降到5V，本文采用的是L7805 降壓芯片。L7805 有三個管腳，輸入管腳為7.5V 的輸入端，輸出管腳為5V 輸出端，公共端接地。如圖3 所示，本文在L7805 的輸出端和地之間并聯了兩個電容，同樣是用于濾波。

從5V 降壓到3.3V 本文采用的是AMS1117-3.3 降壓芯片。降壓電路簡單易懂，輸入為5V，輸出為3.3V。其中兩個VOUT 引腳連在了一起。

■2.3 超聲波測距模塊電路

超聲波測距模塊是集成模塊，其中的電路不需本文設計，只需把該模塊的電源和地連接上，并把Trig 和Echo引腳連接到單片機上即可。其中Trig 引腳連接在了單片機的P2.1 引腳，Echo 連接在了P2.0 引腳。超聲波模塊采用HC-SR04 型號。HC-SR04 采用CS100A 作為主芯片，采用8MHz 晶振，能準確測量2 ～600cm 的距離。

■2.4 NRF24L01 無線通信模塊電路

NRF24L01 同樣是集成模塊，它自帶天線，有一套自己獨特的通信協議。它的通信距離可達1100 米，理論上可實現無數個模塊之間的相互通信。現實中常用的是一收多發，即多個NRF24L01 對同一個NRF24L01 進行發送數據。雖然實際上是串行收發數據，但是由于收發數據的時間極短，可以認為是并發的進行一收多發。

實現一收多發的方式有兩種，一種是所有NRF24L01 模塊采用相同的地址，但采用不同的頻率進行通信；另一種是所有的NRF24L01 采用相同的頻率，而地址則不相同。NRF24L01 支持的頻率范圍為2.4GHz~2.5GHz，因此理論上可以實現一個接收無數個發送，但是由于相鄰頻率容易出錯，因此在現實中無法實現太多NRF24L01 同時向一個NRF24L01 發送數據。

另外需要注意的是，本文采用的單片機是5V 供電，而NRF24L01 無線通信模塊是3.3V 供電，所以存在電平不兼容的問題，因此需要在NRF24L01 模塊的引腳和單片機的引腳之間串470Ω 的電阻。這樣才能實現單片機和該無線通信模塊之間的連接。

■2.5 LCD1602 液晶顯示電路

LCD1602 液晶顯示器共有16 個引腳，由于LCD1602是并行數據傳輸，所以其中有8 個數據引腳，本文把它們接在了單片機的P2 口上，如果單片機的I/O 引腳不充足的情況下，還可以使用74HC595 來串轉并進行單片機接口的擴展。另外還有3 個控制引腳，他們分別是數據命令選擇引腳RS，讀寫選擇引腳RW 和使能信號引腳E。他們被分別接在了P1.1、P1.2 和P1.3 管腳。LCD1602 的第3 引腳需要接一個電位器，電位器的兩端分別接電源和地，調整電位器可用于調節1602 的背光燈亮度。

■2.6 蜂鳴器模塊電路

蜂鳴器用于提示進球的有效性，雖然它是由0 和1 來控制，但是它是一個功率器件，需要大的電流來驅動才可以正常工作，因此不能直接接在單片機的引腳上，因為單片機的驅動能力是有限的，而三極管有放大作用，它有放大電流的作用，恰好可用于放大單片機的微弱電流，因此本文在蜂鳴器和單片機之間連接了一個PNP 型三極管用于驅動蜂鳴器。值得注意的是，本文采用的是有源蜂鳴器。之所以采用有源蜂鳴器是因為有源蜂鳴器自帶振動源，驅動簡單，發聲清脆，其功能符合本文的要求。

3 軟件設計

本文所提出的籃球進球自動計數器分為主板和從板，由于主板和從板上都有各自的單片機，并且實現的功能不同，因此軟件也分為兩套，一個是主板上的軟件，一個是從板上的軟件。其程序流程圖分別如圖5、6 所示。

圖5 從板軟件流程圖

圖6 主板軟件流程圖

對于從板，首先進行系統初始化，其中包括變量的初始化，定時器的初始化，NRF24L01 引腳的初始化，當然，對于STC89C52RC 并不需要，還包括NRF24L01 無線通信模塊的檢測，NRF24L01 模塊的初始化（主要是初始化的設置，包括地址，頻率等），還有設置NRF24L01 為發送模式，初始化的最后一步就是延時，延時的作用就是等待系統穩定之后再進行工作。

然后從板不斷地進行測距，當距離小于20cm 的時候，判斷進球有效，無線通信模塊把進球信息發送給主板。從板在使用超聲波測距的時候用到了定時器，超聲波測距的原理就是，首先，超聲波傳感器發出超聲波，然后定時器開始計時，當超聲波碰到障礙物（這里指籃球）返回到超聲波傳感器定時器計時停止，根據超聲波在空氣中傳播的速度，再根據定時器計時的時間，從而計算出超聲波傳感器與障礙物的距離。這里設定閾值為20cm，也即當超聲波傳感器與籃球的距離小于20cm 的時候判斷為籃球進球成功；接下來單片機控制NRF24L01 模塊發送一個字符串到主板。

而主板不斷地在等待接收從板發過來的字符串信息，當從板向主板發送字符串信息的時候，主板才能成功接收，進而主板上的主控芯片控制液晶顯示模塊顯示出來進球數量，至此，一個有效的進球成功顯示了出來。如此循環往復，軟件即可完成籃球進球的持續計數。

主板的軟件初始化包括了變量的初始化，LCD1602 液晶的初始化，NRF24L01 的引腳初始化，NRF24L01 的檢查，NRF24L01 的設置初始化，接收模式的設置，LCD1602 固定字符的顯示，以及用于等待系統穩定的延時。

4 測試

經過一系列步驟成型的籃球進球自動計數器實物如圖7所示。

圖7 左側為從板，右側為主板。把從板安裝在籃球框下面的籃板上，主板則放在容易觀察的地方，比如桌子上。每當進球成功后，從板會檢測到進球并把進球信息發送給主板，主板上的LCD1602 顯示的數字就會加一并伴有蜂鳴器的響聲。

圖7 籃球進球自動計數器實物圖

實踐證明，本文所設計的籃球進球自動計數器是可行的、切實有效的。它能夠在不用人為操作的情況下實現自動籃球進球計數，并顯示出來。有助于投籃訓練、投籃比賽等諸多體育運動的進行。

5 總結

本文設計并實現了一款籃球進球自動計數器。該計數器分為兩個大的模塊，分別為主板和從板。主板和從板都由單片機控制。從板由單片機，超聲波傳感器和NRF24L01 無線通信模塊組成，固定在籃球框下面的籃板上，用于檢測籃球的進球；主板由單片機，NRF24L01、蜂鳴器和LCD1602組成，放在易于觀察的位置，用于與從板通信并顯示進球數。

經過測試，本文所提出的計數器可用于籃球投球訓練、投籃比賽等場合，其完全解放了人力，不再需要人工手動計數，而是全自動進行進球計數，還有進球提示功能。