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无线鸣枪起跑与终点计时系统
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 余兆棠、陳新福等人】2016年06月15日 星期三

浏览人次:【23494】
  


发令枪在各种体育活动或竞赛中不可或缺,我们最熟悉的莫过于传统的发令枪了,传统发令枪必须使用纸雷管,传统的发令枪一般声音很大,声音大小无法调整,对于近身使用之发令者之耳朵可能有不好之影响。因为使用火药非常不环保,不仅对空气品质不好且火药本身就是一种易燃物体容易发生危险,在环保意识深植人心的现代社会,目前已有一些国际赛淘汰了传统式发令枪,例如伦敦奥运田径比赛上使用的电子式发令枪[1],市面上也有一些连线式电子式发令枪。仔细检视这些电子式发令枪仍有一些缺点:


*须使用喇叭线连接发令枪与扩音器才能将信号传至喇叭发出起跑枪声。


*使用易污染环境的电池为电力来源[2]。


*布建与使用受到信号线之限制。


因此,本专题构想结合无线通讯及太阳能电力技术,将传统的发令枪改为无线电子式发令枪,另外可以整合设计终点计时器,建置一个「无线鸣枪起跑与终点计时系统」。本系统包括无线电子式发令枪与终点计时两个子系统。无线电子式发令枪包括产生触发信号与枪声模拟信号的枪身本体以及远端播放枪声模组,其中信号传输以无线方式完成。所提出之系统使用情境如图1所示,其中发令枪本体产生触发信号,以ZigBee无线传输器传送此信号至远端播放枪声模组播放枪声并同时启动终点计时模组开始计时并显示计时资讯。



图1 : 无线鸣枪起跑与终点计时系统使用情境
图1 : 无线鸣枪起跑与终点计时系统使用情境

系统架构与功能

图2显示无线鸣枪起跑与终点计时系统架构,系统包含三大部分,即发令枪身本体、远端枪声播放模组与远端计时模组。发令枪身本体以HT66F70A晶片[3]为控制中心,HT66F70A接收到扣击板机之触发信号后产生数位编码信号,再控制ZigBee收发器[4]以无线广播方式传送起跑信号至远端枪声播放模组及远端计时模组。远端枪声播放模组接收并解码此信号后,启动语音IC由扩音器播放枪声。另外,计时模组也同时接收并解码此信号后,启动计时器并动态显示计时资讯在七段显示器上,当侦测到跑者通过终点线时,停止计时并显示计时资讯。



图2 : 无线鸣枪起跑与终点计时系统示意图
图2 : 无线鸣枪起跑与终点计时系统示意图

系统设计

硬体设计

依据图2之系统架构,发令枪、远端枪声播放与计时模组之硬体规划与设计分别如图3、图4与图5所示,其中远端枪声与计时模组皆使用太阳能电池提供电力,当所有模组启动与初始化完成后,LED指示灯即亮灯,表示系统备便。图3之发令枪扣板机时触发单击电路产生起跑信号,HT66F70A MCU接收到信号再控制ZigBee无线广播数位编码信号至远端枪声播放模组及远端计时模组。图4之远端播放模组以ZigBee无线接收器接收到数位编码信号再经由HT66F70A MCU解码为起跑信号,同时启动语音IC再由扩音器拨放枪声。同时图5之远端计时模组,以ZigBee无线接收器接收到数位编码信号再经由HT66F70A MCU解码为起跑信号,并启动计时器,将计时时间动态显示在七段显示器上,当红外线遮断器侦测到跑者通过终点线时,MCU控制计时停止并控制七段显示器显示计时资讯。



图3 : 发令枪硬体架构图
图3 : 发令枪硬体架构图

图4 : 远端枪声播放模组硬体架构图
图4 : 远端枪声播放模组硬体架构图

图5 : 远端计时模组硬体架构图
图5 : 远端计时模组硬体架构图

软体设计

配合前述硬体规划所设计之软体流程分别如图6、图7与图8所示,其动作流程分述如下:


发令枪本体软体流程

图6说明发令枪本体之软体流程,开启开关后,等待传送与接收两端的HT66F70A MCU及ZigBee无线收发器初始化连线,连线完成后,系统备便LED灯亮,当MCU侦测发令枪扣板机之单击电路信号,MCU产生数位编码信号,再控制ZigBee无线收发器传送至远端播放枪声及远端计时模组。



图6 : 枪身本体软体流程图
图6 : 枪身本体软体流程图

远端枪声播放模组软体流程

图7说明远端枪声播放模组之软体流程,开启开关后,等待传送与接收两端的HT66F70A MCU及ZigBee无线收发器初始化连线,连线完成后远端枪声播放模组持续侦测是否接收发令枪模组所广播之数位编码信号,当接收到此信号并解码完成后,启动语音IC之预录枪声并由扩音器播放。



图7 : 远端枪声播放模组软体流程图
图7 : 远端枪声播放模组软体流程图

远端计时模组软体流程

图8叙述远端计时模组之软体流程,同样地,系统初始化与连线完成,远端计时模组持续侦测是否接收发令枪模组所广播之数位编码信号,当接收到此信号并解码完成后,启动计时器并动态显示在七段显示器上,当光遮断器感应到遮断信号时,表示跑者通过终点线,MCU控制计时停止,七段显示器显示最后计时之时间资讯。



图8 : 远端计时模组软体流程图
图8 : 远端计时模组软体流程图

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系统实现与功能测试

依据第3节之软硬体设计,完成之无线鸣枪起跑与终点计时系统原型如图9所示。针对所完成作品进行功能测试,测试方法与结果列述如下:


系统备便

开启无线电子式发令枪、远端枪声播放模组及远端计时模组的电源,系统启动并备便,指示灯亮起,表示系统准备就绪,如图9所示。



图9 : 系统备便状态
图9 : 系统备便状态

扣击发令枪的板机

扣下发令枪的板机,此时远端枪声播放模组将会拨放枪声,同时远端计时模组将会开始计时且动态显示计时资讯,并等待红外线光遮断器的遮断信号。


计时停止

当远端计时模组之光遮断器感应遮断情形(表示跑者通过达终点线),计时立即停止并显示最后计时之时间资料,如图10所示。


图10 : 远端计时模组之功能测试
图10 : 远端计时模组之功能测试

系统重置

按下发令枪的重置钮,发令枪模组广播重置信号,系统再次备便,远端计时归0,可进行下次之使用。


结论

本专题发挥创意将传统发令枪设计成无线电子式,并整合设计终点计时模组,完成建置一个「无线鸣枪起跑与终点计时系统」。作品使用盛群HT66F70A为控制中心,整合ZigBee无线传输与周边电路并配合韧体设计完成鸣枪起跑与终点计时功能,考虑环保绿能,远端枪声播放模组与终点计时模组以太阳能提供电力。目前本作品之终点计时仅能记录一组资讯,将来尚可改进成多组计时功能。另外,本作品采模组化设计,枪身本体配合远端枪声播放模组可以单独作为「无线鸣枪起跑」使用,取代传统发令枪或有线电子式发令枪。


(本文作者余兆棠1、陈新福2、林奕成、林圣修、黎名仁为南台科技大学1电子工程系教授、2体育教育中心教师、3电子工程系研究生)


参考文献

[1] 爱活网新闻伦敦奥运淘汰传统发令枪原因,http://www.evolife.cn/html/2012/66147.html


[2] 小电池大污染 废弃电池对环境上的污染,http://ggraphicc.com/g/Right/DianChi.html


[3] HT66F60A/HT66F70A – Holtek,


http://www.holtek.com.cn/pdf/8bit_Flash_MCU/HT66F60A_70Av130.pdf


[4] DRF1600 ZigBee Module V4.0E,


http://www.hmangas.com/Electronica/Datasheets/RF/DRF1600%20ZigBee%20Module%20V4.0E.pdf


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