Устройство измерения параметров движения спортсменов по трассе

Блок-схема алгоритма приведена на рис.2.20.Рисунок 2.20 – Блок-схема алгоритма работы программы3 Практическая часть3.1 Разработка принципиальной схемы устройстваНа рис.3.1 показана принципиальная схема электронного блока двухосевого датчика ускорений, выходные сигналы формируются на выходах Xout, Yout.Рисунок 3.1 – Электрическая принципиальная схема МЭМС датчика ускорения (двухосевого акселерометра) с обвязкойДля фильтрациивибраций, и других посторонних высокочастотных ускорений установим полосу пропускания в 10 Гц в соответствии с таблицей 2.5 выбираем C1=C2=0.47 мкФ.Величина резистора R1=Rsetвыбирается в зависимости от периода следования импульсов T2, и определяется по формуле:Приняв T2=1 мс для R1 будем иметь:На рис.3.2 приведена схема подключениямикроконтроллера к шине USBчерез которую ведется запись информации о параметрах движения спортсмена на Flash-память. Это выполнено через последовательный интерфейс приема/передачи данных UART. Микросхема FT232R (DD2) используется в качестве преобразователя сигнала UART/USB. Микросхема DA1 (DC/DCпреобразователь)обеспечивает FT232Rдополнительным стабилизированным питания 3.3 В.Рисунок 3.2 – Электронный блок подключения микроконтроллера к шине USBЭлектрическая принципиальная схема устройства приведена в ПРИЛОЖЕНИИ В.3.2 Разработка программы для микроконтроллераПрограммное обеспечение можно разделить на несколько частей: • Расчет параметров ШИМ на выходах акселерометра;• Расчет параметров движения;• Передача данных по UART в ПЗУ запоминающее устройство.Рассмотрим подробнее данные модули, но сначала определим блок используемых переменных.3.2.1 Блок переменных//Данный блок следует перед основной программой в нем определяются и // инициализируются используемые в программе переменные.// Определение глобальных переменных// Переменная времениfloatdata_t=0;// Переменная дискрета времени (равна заданному периоду ШИМ T2=0.001)floatdt=0.001;// Переменные горизонтальной и вертикальной проекций ускоренийfloatdata_ax=0, data_ay=0;// Переменные горизонтальной и вертикальной проекций скорости, полной //скоростиfloatdata_Vx=0, data_Vy=0, V=0;// Переменная угла наклона трассыfloatdata_q=0;// Переменная счетчика внутренних прерыванийlongintcounter_disp = 0;// Переменныесчетчиков ШИМ для ax, aylongintcounter_T1x=0, counter_T2x=0, counter_T1y=0, counter_T2y=0;// Переменные флагов состояний 1 или 0, если на входе высокий уровень //flag_T1x=0, если низкий flag_T1x=1;intflag_T1x=0, T1y=0;3.2.2Программа расчета параметров ШИМ и движения// расчет параметров ШИМ T1, T2 находится в блоке основной программыwhile (1) { // Рассчитываем параметры ШИМ для axif(PINB.0==1){// Если на входе высокий уровень инкрементируем T1 и T2if (flag_T1x==0){counter_T1x++;counter_T2x++;}// Иначе рассчитываем проекцию ускорения ax, обнуляем счетчики T1 и T2и //ждем следующий полный импульсelse{// Рассчитываем проекцию axускорения в м/с2.data_ax=9.81*8*(( counter_T1x/ counter_T2x)-0.5);// Рассчитываем проекцию скорости Vx в м/с.data_Vx=data_Vx+data_ax*dt;counter_T1x=0;counter_T2x=0;flag_T1x=0;}}// Если на входе низкий уровень инкрементируем только T2if(PINB.0==0){flag_T1x==1;counter_T2x++;}// Рассчитываем параметры ШИМ для ayif(PINB.1==1){// Если на входе высокий уровень инкрементируем T1 и T2if (flag_T1y==0){counter_T1y++;counter_T2y++;}// Иначе рассчитываем проекцию ускорения ax, обнуляем счетчики T1 и T2и //ждем следующий полный импульсelse{// Рассчитываем проекцию ayускорения в м/с2.data_ay=9.81*8*(( counter_T1y/ counter_T2y)-0.5);// Рассчитываем проекцию скорости Vy в м/с.data_Vy=data_Vy+data_ay*dt;// Рассчитываем полную скорость V в м/с.V=sqrt(data_Vx*data_Vx+data_Vy*data_Vy);// Рассчитываем угол наклона трассы в град.data_q=atan(data_Vy/data_Vx);// Инкрементируем переменную времениdata_t=data_t+dt;// Обнуляемсчетчикиcounter_T1y=0;counter_T2y=0;flag_T1y=0;}}// Если на входе низкий уровень инкрементируем только T2if(PINB.1==0){flag_T1y==1;counter_T2y++;}3.2.3 Функция передачи данных по UART// Функция инициализации USARTvoid USART_INIT(unsigned intUBRR_baud){// Устанавливаем скорость передачи/приема. Она записывается // в два регистра: четырехразрядный UBRRH и восьмиразрядный // UBRRL. Для начала значение, хранящееся в UBRR_baud,// сдвигаем в право на 8 разрядов.UBRRH = (unsigned char)(UBRR_baud » 8);// Поскольку выполняется явное преобразование// к восьмиразрядному числу, в UBRRL будет записано 8 младших // разрядов, а все старшие после восьмого разряда будут // отброшеныUBRRL = (unsigned char)UBRR_baud;// Для обращения к регистру UCSRC необходимо записать 1 //в разряд URSEL, и одновременно с этим установить // требуемые нам разряды в регистре UCSRC.// Режим работы асинхронный: разряд UMSEL=0. Отключен// контроль по четности: разряды UPM1=0 и UPM0=0. Один стоп-// битов: разряд USBS=0. Восемь бит данных: разряды UCSZ1=1,// UCSZ0=1, разряд UCSZ2 регистра UCSRB =0// В асинхронном режиме разряд UCPOL=0UCSRC = (1 << URSEL) |(0 « UMSEL) |(0 << UPM1) |(0 « UPM0) |(0 « USBS) |(1 « UCSZ1) |(1 « UCSZ0) |(0 « UCPOL);UCSRB &= ~(1 << 2);// UCSZ2=0 (8 бит данных)// Включаем приемник и передатчик USARTUCSRB |=. (1 « 4)|(1 << 3);// Разряды RXEN=1 и TXEN=1// Разряды U2X=0 и МРСМ=0, т.е. отключаем удвоение скорости // и режим мультипроцессорного обменаUCSRA &= ~(1 « 1) & -(1 « 0);}// Функция, которая будет вызываться при обращении потока на// выводвUARTstatic intuartputchar(char simvol, FILE *stream){// Ожидаем освобождения регистра данных, т.е. когда он будет// готов принять символ для отправки (установится 1 в разряде// UDRE)loop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_t;// Передаем данные, содержащие текущее время, в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_Vx;// Передаем данные, содержащие горизонтальную проекцию скорости в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_Vy;// Передаем данные, содержащие вертикальную проекцию скорости в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_V;// Передаем данные, содержащие полную скорость в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_V;// Передаем данные, содержащие угол наклона трассы в порт UARTreturn 0;}ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе разрабатывался измеритель параметров движения спортсмена на трассе. В ходе проведенных исследований были разработаны электрическая структурная, функциональная и принципиальная схемы измерителя параметров движения. Основные результаты по главам:В первой главеПроведен обзор научно-технической литературы по теме исследования с целью выявления уровня техники. Рассмотреныинструментальные методы контроля в спорте, приведена их классификация. Далее рассмотрена структурная схема измерительной системы, ее основные блоки, их назначение и функции, приведена классификация методов измерения в спорте, а также классификация датчиков измерения биомеханических характеристик.Во второй главеРазработана структурно/функциональная схема измерителя параметров движения, произведен выбор элементной базы устройства при условии полной совместимости работы отдельных блоков и элементов – управляющего микроконтроллера, электронных модулей, датчика ускорений.Производится запись результатов измерения на внутреннюю постоянную память flash-ПЗУ. На внешние устройства данные считываются с ПЗУ через USB. Также разработана блок-схема алгоритма работы программы микроконтроллераВ третьей главеРазрабатывались электрическая принципиальная схема измерителя параметров движения спортсмена на трассе,программа для микроконтроллера.Основные технико-эксплуатационные показатели устройства:Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели:Диапазон измерения ускорений±10g;Диапазон измеряемых скоростей – не ограничен;Диапазон измеряемых углов наклона – 0-90⁰; Диапазон рабочих температур – 55…+125ºC;Погрешность измерения скорости и угла наклона не более 1%;Измерение параметров движения, ускорение, скорость, угол наклона трассы записываются на внутреннюю постоянную память flash-ПЗУ;Данные на внешние устройства считываются через USB.В целом результаты дипломной работы, соответствуют поставленным задачам и целям. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Инструментальные методы контроля в спорте, электронный ресурс, URL: https://ppt-online.org/5287372. Трифонова, Н. Н. Спортивная метрология: [учеб. пособие] / Н. Н. Трифонова, И. В. Еркомайшвили; [науч. ред. Г. И. Семенова]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Издво Урал. ун-та, 2016. — 112 с3. Инструментальные методы исследования в физической культуре и спорте, электронный ресурс, URL: https://textarchive.ru/c-2244380-p21.html8. Максимов В.М. Аппаратные и программные средства лабораторного стенда на основе микроконтроллера ATmega8535.9. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров.: Пер. с нем. — К.: «МК-ПРЕСС», 2006г. 10. «Программирование микроконтроллеров ATmega8535» Методические указания по проведению лабораторных работ Челябинск 2009 г.12. Документация производителя контроллера NAND, электронный ресурс, URL: http://www.datasheet-pdf.com/mobile/960933/STBD2010.html13.Документация производителя flashпамяти NAND, электронный ресурс, URL:https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/103437/HYNIX/HY27UA081G1M.html14. Принцип работы NAND-памяти, электронный ресурс, URL:https://club.dns-shop.ru/blog/t-101-ssd-nakopiteli/36168-printsip-rabotyi-nand-pamyati/15. Техническая документация на датчик ADXL202, электронный ресурс, URL: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/48921/AD/ADXL202.htmlПРИЛОЖЕНИЕ А. Электрическая структурная схема измерителя параметров движенияПРИЛОЖЕНИЕ Б. Электрическая принципиальная схема измерителя параметров движения ПРИЛОЖЕНИЕ В. Перечень элементовПоз.обозначениеНаименованиеКолПримечаниеКонденсаторыC1К30-35-6.3мкФ×50В±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C2,C5-C70402-0.1мкФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ4C3-C40402-22нФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ2C8-С9К30-35-0.47мкФ×50В±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C10-C110402-20 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ2C10,C11,C120805-0.1мкФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ3РезисторыR1-R20402-50Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R30402-620Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R4-R6,R8RM065-10кОм±5%, ОЖ0.467.164 ТУ4R70402-510Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R9-R100402-330Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ2ИндуктивностиL1чип 1812 100 мкГн, Китай1Диоды HL1-HL3Чип KP-1698, Китай3МикросхемыDD1STBD2010, Sigmatel, Китай1DD2HY27UA081G1M, Hynix, Китай1DD3ADXL202, Realtek, Китай1DD4ATmega8535, Microchip, Китай1DD5FT232RL, FTDI, Китай1КварцевыегенераторыZQ1РПК1-16МГц, Citizen, Япония1ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Программа для микроконтроллера#include // Подключение библиотек функций ввода/вывода#include //Для работы с математическим функциями#include // Определение глобальных переменных// Переменная времениfloatdata_t=0;// Переменные горизонтальной и вертикальной проекций ускоренийfloatdata_ax=0, data_ay=0;// Переменные горизонтальной и вертикальной проекций скорости, полной //скоростиfloatdata_Vx=0, data_Vy=0, V=0;// Переменная угла наклона трассыfloatdata_q=0;// Переменная// Переменная счетчика внутренних прерыванийlongintcounter_disp = 0, counter_data=0;// Строкадляработысsprintfunsigned char string_V[20], string_q[20];// Прерываниепопереполнениютаймера 0interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void){// Инкремент счетчика прерыванийCounter_disp++;}// Функцияинициализации USARTvoid USART_INIT(unsigned intUBRR_baud){// Устанавливаем скорость передачи/приема. Она записывается // в два регистра: четырехразрядный UBRRH и восьмиразрядный // UBRRL. Для начала значение, хранящееся в UBRR_baud,// сдвигаем в право на 8 разрядов.UBRRH = (unsigned char)(UBRR_baud » 8);// Поскольку выполняется явное преобразование// к восьмиразрядному числу, в UBRRL будет записано 8 младших // разрядов, а все старшие после восьмого разряда будут // отброшеныUBRRL = (unsigned char)UBRR_baud;// Для обращения к регистру UCSRC необходимо записать 1 //в разряд URSEL, и одновременно с этим установить // требуемые нам разряды в регистре UCSRC.// Режим работы асинхронный: разряд UMSEL=0. Отключен// контроль по четности: разряды UPM1=0 и UPM0=0. Один стоп-// битов: разряд USBS=0. Восемь бит данных: разряды UCSZ1=1,// UCSZ0=1, разряд UCSZ2 регистра UCSRB =0// В асинхронном режиме разряд UCPOL=0UCSRC = (1 << URSEL) |(0 « UMSEL) |(0 << UPM1) |(0 « UPM0) |(0 « USBS) |(1 « UCSZ1) |(1 « UCSZ0) |(0 « UCPOL);UCSRB &= ~(1 << 2);// UCSZ2=0 (8 бит данных)// Включаем приемник и передатчик USARTUCSRB |=. (1 « 4)|(1 << 3);// Разряды RXEN=1 и TXEN=1// Разряды U2X=0 и МРСМ=0, т.е. отключаем удвоение скорости // и режим мультипроцессорного обменаUCSRA &= ~(1 « 1) & -(1 « 0);}// Функция, которая будет вызываться при обращении потока на// выводвUARTstatic intuartputchar(char simvol, FILE *stream){// Ожидаем освобождения регистра данных, т.е. когда он будет// готов принять символ для отправки (установится 1 в разряде// UDRE)loop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_t;// Передаем данные, содержащие текущее время, в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_Vx;// Передаем данные, содержащие горизонтальную проекцию скорости в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_Vy;// Передаем данные, содержащие вертикальную проекцию скорости в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_V;// Передаем данные, содержащие полную скорость в порт UARTloop_until_bit_is_set(UCSRA, 5);UDR = data_V;// Передаем данные, содержащие угол наклона трассы в порт UARTreturn 0;}voidmain(void){// Объявление локальных переменных// Инициализация портов входа/выхода// ПортB, инициализация// Function: Bit7=In Bit6=In Bit5=In Bit4=In Bit3=In Bit2=In Bit1=In Bit0=In DDRB=(0<