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(duì)日常訓(xùn)練的重要組成部分，其中俯臥撐是一項(xiàng)非常重要的訓(xùn)練項(xiàng)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(shí)考核的方式進(jìn)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(dòng)作判斷考生俯臥撐次數(shù)是否有效，不同的監(jiān)考人員評(píng)判動(dòng)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(fèi)人力，也影響了考核的公平性，對(duì)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(shí)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(jì)實(shí)用、便捷高效的軍事體能訓(xùn)練俯臥撐測(cè)量儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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

圖1 系統(tǒng)總體框圖

單片機(jī)控制模塊選取STM32F103作為主控芯片，利用3個(gè)紅外光電傳感器來檢測(cè)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(jì)數(shù)，采集的數(shù)據(jù)變化由單片機(jī)進(jìn)行接收和處理，單片機(jī)利用內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行2 min倒計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)2 min內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)值，驅(qū)動(dòng)OLED12864實(shí)時(shí)顯示俯臥撐次數(shù)及倒計(jì)時(shí)信息。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，俯臥撐不再進(jìn)行計(jì)數(shù)。電源模塊用于給整個(gè)系統(tǒng)供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路如圖2所示，由一個(gè)按鍵、一個(gè)電解電容和一個(gè)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(shí)，起到給單片機(jī)復(fù)位管腳輸入復(fù)位信號(hào)的作用，將整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。實(shí)際電路執(zhí)行過程中，基于電解電容的充放電特性，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的低電平信號(hào)，單片機(jī)判斷復(fù)位引腳輸入低電平時(shí)，即啟動(dòng)復(fù)位程序。

圖2 復(fù)位電路

2.2 紅外傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

利用紅外光電傳感器來檢測(cè)使用者俯臥撐是否做到位，傳感器型號(hào)選擇集成了發(fā)射管和接收管的TCRT5000，通過檢測(cè)傳感器輸出的開關(guān)信號(hào)，單片機(jī)能夠判斷當(dāng)前是否檢測(cè)到人體，以便對(duì)后續(xù)電路輸出控制指令進(jìn)行控制，同時(shí)也可以完成計(jì)數(shù)工作。設(shè)計(jì)中，共放置3個(gè)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(gè)位置均檢測(cè)到人體，單次俯臥撐才有效，單片機(jī)計(jì)數(shù)增加1次。

紅外檢測(cè)模塊電路如圖3所示。

圖3 紅外檢測(cè)模塊電路

2.3 OLED顯示屏選型

設(shè)計(jì)中，采用0.96寸OLED顯示屏[2]，用于實(shí)時(shí)顯示俯臥撐次數(shù)及倒計(jì)時(shí)信息。液晶屏內(nèi)部驅(qū)動(dòng)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(jì)，通信接口采用I2C總線設(shè)計(jì)，節(jié)省單片機(jī)I/O資源。OLED12864與單片機(jī)采用SPI協(xié)議進(jìn)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(jī)的PA5、PA7、PB0、PB1。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要給單片機(jī)、紅外傳感器及OLED液晶屏進(jìn)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(jìn)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(jī)供電，同時(shí)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(duì)電源的影響。

圖4 電源電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

繪制主程序流程圖，對(duì)系統(tǒng)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)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(jìn)入main主函數(shù)內(nèi)，先執(zhí)行初始化程序，液晶和定時(shí)器進(jìn)行初始化，調(diào)用信號(hào)輸入端的采集程序，讀取紅外光電傳感器的檢測(cè)信號(hào)，然后調(diào)用液晶顯示程序，實(shí)時(shí)顯示俯臥撐次數(shù)及倒計(jì)時(shí)信息。完成數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入判斷程序，利用if語句，依次判斷3個(gè)紅外光電傳感器是否檢測(cè)到人體，若3個(gè)紅外光電傳感器均滿足判斷條件，則單片機(jī)計(jì)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(jì)時(shí)是否為0，若返回值為是，則停止計(jì)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(cè)程序設(shè)計(jì)

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

圖6 紅外傳感器檢測(cè)程序流程圖

3.3 OLED顯示屏顯示程序設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)信息，OLED液晶的讀寫函數(shù)在頭文件里預(yù)先進(jìn)行配置，主函數(shù)里可直接進(jìn)行調(diào)用。程序率先進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)及倒計(jì)時(shí)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(cè)試

硬件模塊實(shí)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(jìn)行首次上電檢測(cè)，檢測(cè)按照“先系統(tǒng)供電電壓，后各模塊電壓”的順序進(jìn)行，檢測(cè)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(huì)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(huì)燒毀對(duì)應(yīng)的芯片。測(cè)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(cè)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(jìn)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(jì)以及接電端能否完全連接。經(jīng)檢測(cè)，電路可正常運(yùn)行。

圖8 實(shí)物連接圖

采用實(shí)際體驗(yàn)方式，對(duì)該俯臥撐測(cè)量儀的自動(dòng)計(jì)數(shù)功能進(jìn)行測(cè)試，啟動(dòng)主板電源，液晶屏顯示初始界面，倒計(jì)時(shí)從120 s開始，刷新顯示俯臥撐次數(shù)及倒計(jì)時(shí)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(gè)紅外光電傳感器均檢測(cè)到人體時(shí)，液晶顯示的count數(shù)值增加1，完成計(jì)數(shù)功能，此時(shí)，俯臥撐計(jì)數(shù)界面圖如圖10所示，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，停止計(jì)數(shù)。

圖10 俯臥撐計(jì)數(shù)界面圖

5 結(jié)束語

基于STM32F103設(shè)計(jì)的俯臥撐測(cè)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(jì)的基礎(chǔ)上，完成了實(shí)物制作，重點(diǎn)對(duì)其計(jì)數(shù)、倒計(jì)時(shí)功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)制作的俯臥撐測(cè)量儀工作正常，能夠滿足俯臥撐考核中對(duì)規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)計(jì)數(shù)功能的要求，使考核更加公平、高效，具有一定的推廣價(jià)值。