甘華國，呂婭昭，梁曉靜，林奕涵，陳銳賢，劉佐濂

(廣州大學物理與電子工程學院,廣州 510006)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對身體鍛煉也越來越重視，運動成為生活中不可或缺的一部分。其中占地面積小，成本低，趣味性強的運動最受歡迎。而作為中國傳統(tǒng)的毽球運動，集聚上述所有優(yōu)點，深受大家喜愛[1-3]。物聯(lián)網技術蓬勃發(fā)展的當下，越來越多的智能化設備被開發(fā)出來[4]。為提高傳統(tǒng)毽球運動的趣味性，廣泛傳播這項便民運動，本文結合現代智能化技術，開發(fā)出一款智能化毽球，使傳統(tǒng)毽球能與手機進行無線連接，同時具有自動計數的智能化功能。開發(fā)的手機APP除了能顯示“踢球的次數”，還具有“卡路里計算”，“與好友比拼”等功能。增加了傳統(tǒng)毽球運動的娛樂性，調動了全民運動的積極性，在拓展傳統(tǒng)毽球功能的同時盡量控制其成本和球體的重量，使之能大范圍推廣使用。

1 整體設計

1.1 系統(tǒng)框架圖

設計的智能毽球整體電路框架如圖1所示。

圖1 整體電路框架圖

1.2 系統(tǒng)原理

在系統(tǒng)中，微動開關通過主控芯片STM8S103F3P6的外部中斷接口與主控芯片進行連接。微動開關在沒有碰撞的情況下是處于斷開狀態(tài)，一旦受到外部物體碰撞，微動開關內部就會接觸導通，觸發(fā)芯片的中斷響應，在中斷響應中使計數值加一更新。更新后的計數值會通過與主控芯片連接的藍牙CC2541模塊無線發(fā)送到手機，在設計的手機APP界面上實時顯示和更新踢毽球的次數。

1.3 外觀設計

智能毽球跟市面上普通毽球外形一致，用來踢的半球底座改裝成裝載電路板和電子元件的外殼。設計的模型外殼底座采用硬的打印材料，底座外部包裹一圈軟膠材質打印的材料，使毽球具有一定的彈性，獲得與傳統(tǒng)毽球一樣的用戶體驗感。圓形外殼和包裹的軟膠形狀采用Solid Works軟件來進行設計。Solid Works軟件是一款三維建模軟件，其功能強大，操作簡單，易于學習和應用[5]。智能毽球的外殼設計無需太復雜的結構，所以用Solid Works軟件來進行建模設計可以快速開發(fā)出成品。外觀整體結構和分結構如圖2。

2 硬件電路設計

2.2 基于STM8S103F3P6的整體系統(tǒng)設計

STM8S103F3P6貼片元件很小，而且外圍所需電路很少，不需要晶振電路，復位電路等，只需要兩個電容元件即可正常工作。此款芯片有14個引腳可用，而且每個引腳都具有外部中斷能力，這在電路設計上有很大的便利。

圖2 整體結構圖(左)和分結構圖(右)

智能毽球因為要在成本、重量和體積上嚴格控制，成本要低，重量和體積不能太大，否則踢的效果就會不好。STM8S103F3P6最小系統(tǒng)可以很好的滿足設計符合要求，其功能引腳多，而且所需外圍電路少，其本身體積也小[6]?；赟TM8S103F3P6的整體系統(tǒng)設計電路如圖3。

左上是基于STM8S103F3P6的最小系統(tǒng)，右上是基于CC2541藍牙的電路，左下是基于XC6206P332MR的穩(wěn)壓供電電路，右下是計數觸發(fā)電路。

圖3 整體系統(tǒng)設計電路

2.3 基于CC2541藍牙電路

CC2541是一款針對低能耗以及私有2.4GHz應用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)。CC2541將領先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標準的增強型8051MCU、系統(tǒng)內可編程閃存存儲器、8kBRAM和很多其它功能強大的特性和外設組合在一起[7]。CC2541非常適合應用于需要超低能耗的系統(tǒng)。這由多種不同的運行模式指定。運行模式間較短的轉換時間進一步使低能耗變?yōu)榭赡?。而且價格低廉，易于控制成本。CC2541需要的外圍元件少，電路簡單，容易設計。

2.4 基于XC6206P332MR的穩(wěn)壓供電電路

XC6206P332MR芯片是一款低功耗、低壓差、大電流的三端穩(wěn)壓芯片，可以穩(wěn)定輸出3.3V電壓。其輸入和輸出端只需要兩個電容對直流電源進行簡單濾波即可，電路設計簡單。采用XC6206P332MR芯片設計的供電電路，可以為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3V電壓，而且此芯片輸出最大電流為250mA，輸出功率完全能支撐整個系統(tǒng)。

2.5 計數觸發(fā)電路

計數觸發(fā)電路實際上是一個硬件消抖電路[8，9]，單片機檢測到信號就會進行計數值加一更新。因為微觸開關是一個機械開關，其內部有一條很小的細導線，在踢的時候由于震動會碰到內部的金屬導體而使其兩個引腳導通，從而觸發(fā)芯片的外部中斷響應。

機械開關都會存在抖動問題，在信號的上升沿和下降沿會出現不平穩(wěn)的信號，時高時低，有使進入單片機的信號受到影響，讓單片機產生誤判。消抖電路就能對進入單片機的信號進行消抖，使信號免受干擾。

3 軟件設計

3.1 軟件流程圖(如圖4)

圖4 軟件流程圖

3.2 軟件原理

首先程序對串口發(fā)送函數和外部中斷函數進行初始化，然后進入循環(huán)函數等待外部中斷函數觸發(fā)響應。當外部中斷函數響應后，進入中斷函數，在中斷函數中進行延時消抖，確保信號正確，然后計數值加一，再用串口函數把數據發(fā)送到藍牙芯片，通過藍牙芯片把數據發(fā)送到手機。

4 手機APP設計

手機APP登錄界面和計數界面如圖5?？防镉嬎愫秃糜鸦咏缑嫒鐖D6。

圖5 登錄界面(左)和計數界面(右)

圖6 卡路里計算(左)和好友互動界面(右)

手機APP啟動界面就是一個毽球形狀。在次數顯示界面，有計數顯示和計時顯示，既能顯示踢的次數也能顯示運動時間。APP還做了運動卡路里計算功能和好友互動功能。此產品采用當今互聯(lián)網概念，實現了云端數據共享，切合了當今智能產品的發(fā)展方向，讓用戶有更好的體驗效果[10]。

5 結論

通過研究與實踐，已成功研發(fā)出既有傳統(tǒng)毽球的外形，又有精確計數功能，還能與智能手機無線連接的低成本智能化的毽球。大大增加了踢毽子過程中的樂趣。該設計使中國傳統(tǒng)運動與現代科技相融合，有利于傳播這項古老又便民的運動。