一種軍事體能訓(xùn)練俯臥撐測量儀的研制

張 芳 丁國臣 池嘉林 劉豐源 詹昌文

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

軍事體能訓(xùn)練是軍隊日常訓(xùn)練的重要組成部分，其中俯臥撐是一項非常重要的訓(xùn)練項目。在日常體能考核中，俯臥撐考核通常采取一考生一監(jiān)考人員、多組同時考核的方式進行，并由一名主考官總負(fù)責(zé)，監(jiān)考人員往往僅通過初步目視考生俯臥撐動作判斷考生俯臥撐次數(shù)是否有效，不同的監(jiān)考人員評判動作的標(biāo)準(zhǔn)無法做到完全一致，這樣的考核方式不僅不夠嚴(yán)謹(jǐn)，而且耗費人力，也影響了考核的公平性，對考核質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。由此可見，為了提高訓(xùn)練效果，確保考核的嚴(yán)謹(jǐn)性和公平性，同時減輕考務(wù)人員的負(fù)擔(dān)，提高考核效率，需要研制一款經(jīng)濟實用、便捷高效的軍事體能訓(xùn)練俯臥撐測量儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)由單片機控制模塊、液晶顯示模塊、紅外檢測模塊及電源模塊組成[1]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

單片機控制模塊選取STM32F103作為主控芯片，利用3個紅外光電傳感器來檢測使用者的俯臥撐是否做到位，分別設(shè)置在頭部、腹部及腿部，并完成計數(shù)，采集的數(shù)據(jù)變化由單片機進行接收和處理，單片機利用內(nèi)部的定時器進行2 min倒計時，統(tǒng)計2 min內(nèi)的計數(shù)數(shù)值，驅(qū)動OLED12864實時顯示俯臥撐次數(shù)及倒計時信息。當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時，俯臥撐不再進行計數(shù)。電源模塊用于給整個系統(tǒng)供電。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 復(fù)位電路設(shè)計

復(fù)位電路如圖2所示，由一個按鍵、一個電解電容和一個電阻構(gòu)成，在系統(tǒng)出現(xiàn)卡死或者程序無法正常工作時，起到給單片機復(fù)位管腳輸入復(fù)位信號的作用，將整個系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。實際電路執(zhí)行過程中，基于電解電容的充放電特性，會產(chǎn)生一個持續(xù)時間較短的低電平信號，單片機判斷復(fù)位引腳輸入低電平時，即啟動復(fù)位程序。

圖2 復(fù)位電路

2.2 紅外傳感器檢測電路設(shè)計

利用紅外光電傳感器來檢測使用者俯臥撐是否做到位，傳感器型號選擇集成了發(fā)射管和接收管的TCRT5000，通過檢測傳感器輸出的開關(guān)信號，單片機能夠判斷當(dāng)前是否檢測到人體，以便對后續(xù)電路輸出控制指令進行控制，同時也可以完成計數(shù)工作。設(shè)計中，共放置3個紅外光電傳感器，分別在頭部、腹部及腿部位置，只有當(dāng)3個位置均檢測到人體，單次俯臥撐才有效，單片機計數(shù)增加1次。

紅外檢測模塊電路如圖3所示。

圖3 紅外檢測模塊電路

2.3 OLED顯示屏選型

設(shè)計中，采用0.96寸OLED顯示屏[2]，用于實時顯示俯臥撐次數(shù)及倒計時信息。液晶屏內(nèi)部驅(qū)動器采用SSD1306芯片控制，工作電流小、響應(yīng)速度快，工作電壓兼容3.3 V和5 V設(shè)計，通信接口采用I2C總線設(shè)計，節(jié)省單片機I/O資源。OLED12864與單片機采用SPI協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信管腳D0、D1、RES、DC分別連接至單片機的PA5、PA7、PB0、PB1。

2.4 電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)需要給單片機、紅外傳感器及OLED液晶屏進行供電，電源電路如圖4所示，采用電源適配器或者充電寶設(shè)備輸出的5 V電壓進行供電，電源輸入接口采用較為通用的Type-C接口，利用內(nèi)部的直流穩(wěn)壓模塊RT9193芯片，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓輸出，給單片機供電，同時在穩(wěn)壓模塊的輸入端和輸出端分別增加濾波電容，減小紋波對電源的影響。

圖4 電源電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

繪制主程序流程圖，對系統(tǒng)主程序進行設(shè)計是整個軟件設(shè)計的核心部分。主程序流程圖如圖5所示，采用自上而下的編程思路，先調(diào)用庫函數(shù)，頭文件中定義初始參數(shù)及端口設(shè)置，進入main主函數(shù)內(nèi)，先執(zhí)行初始化程序，液晶和定時器進行初始化，調(diào)用信號輸入端的采集程序，讀取紅外光電傳感器的檢測信號，然后調(diào)用液晶顯示程序，實時顯示俯臥撐次數(shù)及倒計時信息。完成數(shù)據(jù)采集后，進入判斷程序，利用if語句，依次判斷3個紅外光電傳感器是否檢測到人體，若3個紅外光電傳感器均滿足判斷條件，則單片機計數(shù)值加1，否則不加1，程序通過ELSE退出當(dāng)前判斷。程序開始判斷倒計時是否為0，若返回值為是，則停止計數(shù)。最后程序返回至主函數(shù)，執(zhí)行完剩余指令，并重復(fù)循環(huán)采集數(shù)據(jù)。

圖5 主程序流程圖

3.2 紅外傳感器檢測程序設(shè)計

紅外傳感器檢測程序流程圖如圖6所示，人體紅外傳感器可以探測到人身上所發(fā)出的紅外線[3]，當(dāng)有人體靠近時，紅外接收器會接收到發(fā)射器發(fā)出的紅外線回傳信號，以此來檢測人體紅外光譜的變化，讀取到3個紅外傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并傳送至單片機。當(dāng)3個紅外傳感器均有信號輸出時，計為有效完成一次，計數(shù)加1。

圖6 紅外傳感器檢測程序流程圖

3.3 OLED顯示屏顯示程序設(shè)計

OLED顯示程序流程圖如圖7所示，其主要任務(wù)是顯示俯臥撐次數(shù)及倒計時信息，OLED液晶的讀寫函數(shù)在頭文件里預(yù)先進行配置，主函數(shù)里可直接進行調(diào)用。程序率先進行OLED液晶初始化，通過調(diào)用清屏函數(shù)將界面初始化，確認(rèn)顯示內(nèi)容所在的坐標(biāo)位置后，調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序依次讀取傳感器采集的檢測數(shù)據(jù)及倒計時信息并寫入，通過調(diào)用字符顯示函數(shù)依次顯示采集數(shù)據(jù)，更新顯示內(nèi)容。

圖7 液晶顯示程序流程圖

4 結(jié)果測試

硬件模塊實物連接圖如圖8所示，在硬件電路制作連接完成后，需使用萬用表進行首次上電檢測，檢測按照“先系統(tǒng)供電電壓，后各模塊電壓”的順序進行，檢測過程中需要保證電壓范圍在芯片規(guī)格書要求的偏差范圍內(nèi)，如果系統(tǒng)供電電壓偏差過大，可能會出現(xiàn)主板燒損的現(xiàn)象，造成整體無法正常工作。如果各模塊電壓過大，可能會燒毀對應(yīng)的芯片。測試過程中，需將萬用表的紅表筆端搭在芯片的電壓管腳，黑表筆端搭到主板的GND位置。確保系統(tǒng)供電電壓和各模塊電壓均在要求的電壓范圍內(nèi)，則系統(tǒng)上電測試正常。在安裝和加電器件之前，必須檢查一下短接現(xiàn)象。在接上供電后，應(yīng)立即用手摸一次芯片有無過熱，如有過熱，則應(yīng)立即關(guān)閉電源，并展開進一步的檢查；如并未過熱，則應(yīng)檢查VCC端電流是否符合設(shè)計以及接電端能否完全連接。經(jīng)檢測，電路可正常運行。

圖8 實物連接圖

采用實際體驗方式，對該俯臥撐測量儀的自動計數(shù)功能進行測試，啟動主板電源，液晶屏顯示初始界面，倒計時從120 s開始，刷新顯示俯臥撐次數(shù)及倒計時信息。液晶初始界面圖如圖9所示。

圖9 液晶顯示界面圖

當(dāng)3個紅外光電傳感器均檢測到人體時，液晶顯示的count數(shù)值增加1，完成計數(shù)功能，此時，俯臥撐計數(shù)界面圖如圖10所示，當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時，停止計數(shù)。

圖10 俯臥撐計數(shù)界面圖

5 結(jié)束語

基于STM32F103設(shè)計的俯臥撐測量儀，在軍事體能訓(xùn)練考核工作中應(yīng)用前景廣闊。本文在軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了實物制作，重點對其計數(shù)、倒計時功能進行了測試，測試結(jié)果表明，設(shè)計制作的俯臥撐測量儀工作正常，能夠滿足俯臥撐考核中對規(guī)定時間內(nèi)自動計數(shù)功能的要求，使考核更加公平、高效，具有一定的推廣價值。