分布式斯洛克智能计分系统研究摘要：以 AVR mega16 单片机和 TCS3200D 颜色传感芯片为基础，采用 TCRT5000 反射式红外传感器作为触发机构，并辅之以一定的机械结构构成系统前端颜色传感器由六个颜色传感器构成分布式传感网络，分布于斯洛克六个进球袋实时获取入球信息系统以 EXP-LM3S6952 电子竞赛平台为主机，主机与分布式传感网络采用 I2C 串行总线通信，主机根据斯洛克规则对选手进行计分，并通过数码管实时显示经测试，系统能够准确识别进球颜色并为选手计分，系统达到实用要求关键字 分布式传感网络 EXP-LM3S6952 电子竞赛平台 TCS3200D AVR mega16 I2C 串行总线1．系统简介1.1 系统方案系统采用分布式传感网络实时监控斯洛克桌球各球袋入球情况，各颜色传感器通过I2C 总线将数据串行传输给主机，主机根据斯洛克规则给选手计分，并实时显示为了实现对斯洛克桌球各进球袋入球情况的检测，系统采用颜色识别的方式区分不同颜色的斯洛克桌球我们设计了系统前端颜色传感系统，该传感系统以 AVR mega16 单片机和 TCS3200D 颜色传感芯片为基础，采用 TCRT5000 反射式红外传感器作为触发机构，并辅之以一定的机械结构构建。
TCS3200D 颜色传感芯片将各桌球的颜色分为 R、G、B 三分量，并以频率的形式反映出来TCRT5000 反射式红外传感器用于捕捉入球并触发 AVR 单片机采集数据辅助的机械结构可以使桌球静止在测量位置，测量完成后让球通过AVR mega16单片机用于控制 TCS3200D 颜色传感芯片采集数据和机械结构，负责处理数据并将结果发送给主机分布式传感网络由六个完全一样的前端颜色传感系统构成，分布于斯洛克六个进球袋系统对不同颜色的桌球进行统一编码，各传感节点将编码后的数据传送给主机，主机解码后得知是何种分值的桌球入袋，主机根据接收到的数据判断选手是否犯规，若没有犯规主机将为该选手加上相应的分数，若判为犯规主机将为对手加上相应的分数由于系统不能监控到某些犯规（如：空杆、选手双脚离地等）此时，裁判可通过主机上的键盘为选手加分或减分1.21.2 系统功能与指标系统功能与指标分布式传感网络可以监控斯洛克桌球各入球袋是否有进球，准确识别入球的颜色，并通过 I2C 总线将入球的编码发送给主机主机根据各传感器节点传送的入球信息，依照斯洛克规则对两个斯洛克选手的比赛过程进行计分并实时显示，系统具有判断某些犯规的能力并作出相应的处罚。
同时系统设置有键盘，在系统不能判断的某些犯规出现时，可有裁判对积分系统进行干预以达到准确计分的目的系统对八种入球颜色识别的准确率可达100% 系统可监控击球者的入球犯规实现 100%的准确判罚系统设置有自身的机械结构与球袋衔接良好系统可在温度范围为-40℃-+80 摄氏度，任何声音噪声和光噪声环境下稳定工作1.31.3 系统硬件实现系统硬件实现 系统硬件主要由分布式传感网络、主机和 I2C 通信系统三个部分组成，系统硬件框图如图 1 所示：传感系统2传感系统1传感系统6传感系统5传感系统4传感系统3分布式传感网络主机数码管 显示键盘I2C串行总线I/0I/0图 1 系统硬件框图下面将分别介绍分布式传感网络、主机以及 I2C 通信系统三个部分各自的结构及功能1.3.11.3.1 分布式传感网络分布式传感网络分布式传感网络由六个相同的前端颜色传感系统构成，传感网络用于监控斯洛克桌球的六个入球袋，发现入球，采集所入球的颜色数据，分析处理数据得到入球的编码并传送给主机各分布式传感器以 AVR mega16 单片机、TCS3200D 颜色传感芯片、白光 LED 背光源、TCRT5000 反射式红外传感器并辅之以一定的机械结构构成。
颜色传感系统结构框图如图 2 所示：TCS3200D颜色 传感芯片电磁铁TCRT5000红外 反射式传感器AVR mega16 单片机I/O继电器至主机白光LED背 光源图 2 传感系统构成框图颜色传感系统是分布式斯洛克智能计分系统的基础，颜色传感系统准确发现和识别入球是实现系统功能的关键传感系统各组成部分简介及功能如下：1）AVR mega16 单片机AVR mega16 单片机是 ATMEL 公司推出的基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS微控制器在颜色传感系统中 AVR mega16 单片机用于接受红外反射式光电传感器给出的触发信号，使在自己知道有桌球进了自己所在的袋口接收到触发信号后单片机将使能TCS3200D 颜色传感芯片，并依次选取不同的滤波器采集彩色光 R、G、B 三分量的频率数据然后单片机根据编制的算法处理数据，得到入球的编码数据处理完成后，AVR mega16 单片机启动一次 I2C 传输，将数据传给上位机为了准确识别桌球的颜色，需要在球在静止的情况下采集数据，因此系统中设计了机械结构，该机构可在单片机的控制下使球静止在测量位置，完成后让球通过，准备进入下一轮的数据采集。
2）TCS3200D 颜色传感芯片TCS3200D 是 TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，可通过外部控制芯片选通 R、G、B 三种滤波器同时采集彩色光 R、G、B三分量的频率信号根据色彩理论，自然界中几乎所有的颜色均可由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基本颜色按照不同的比例混合产生，反之采用一定比例的红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色可以混合成一种固定的颜色因此我们可以通过单片机采集到的 R、G、B 三分量的频率信号进而得到三种分量的比例关系，并采用一定算法实现斯洛克白、红、黄、绿、棕、蓝、粉红、黑八种不同颜色球体的识别单片机与 TCS3200D 颜色传感芯片的控制电路示意连接图，如图 3 所示：图 3 单片机与 TCS3200D 颜色传感芯片的控制电路图TCS3200D颜色传感芯片为8引脚双列直插芯片，由图3可知，单片机的PA0-PA4 5个I/O引脚分别控制TCS3200D的S0、S1、OE、S2、S3 5个端口S0、S1为方波输出的频率系数，可由单片机输出高低电平控制颜色传感芯片以不同的百分比输出方波，输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
由于mega16单片机具有8M内部时钟频率，相对于TCS3200D是高速器件，因此系统中对S0、S1设置为高电平，即以100%的方波频率输出S2、S3引脚用于选择不同的滤波器，以便单片机分别采集R、G、B分量的频率信号OUTPUTT引脚为频率信号输出引脚，系统中TCS3200D颜色传感芯片作为计数器0 的外部时钟连接单片机的T0引脚单片机通过对方波信号计数和定时，计算出颜色传感芯片输出方波的频率3) 白光LED背光源设计TCS3200D颜色传感芯片的输出频率与R、G、B的光强呈正比例关系，由于桌球本身为非发光物体，因此需要外部背光源由于TCS3200D颜色传感芯片对颜色的敏感性，同时也为了减小背光源对桌球颜色的影响，我们选择白光LED作为背光源理论上讲，白光LED的光谱分布与颜色传感芯片对不同颜色的敏感因子越接近越好但从成本上考虑，我们选择普通的白光LED 作为背光源为了提高颜色识别的准确性，背光源要求光强均匀分布，因此我们对白光LED采用正六边形分布背光源与TCS3200D颜色传感芯片的分布示意图见图4所示：TCS3200Dledledledledledled图4 背光源与TCS3200D颜色传感芯片的分布示意图4）TCRT5000 红外反射式传感器及外围电路设计在颜色传感系统中，仅仅依靠 TCS3200D 颜色传感芯片和单片机很难发现是否有入球，因此无法进行数据采集，所以颜色传感系统需要一个机构用于发现入袋的桌球并产生触发信号触发传感系统采集数据。
在该系统中我们提出了两种可能的设计方案：一是：采用机械方式，在桌球袋口下方的导轨上安装金属弹簧片，当有球通过时桌球会压住弹簧片使弹簧片两端导通而得到触发信号二是：采用反射式红外的接近开关，当有球通过时会反射红外光，红外接收二极管接收到信号后通过放大用作入球的判别信号相比于红外接近开关，采用机械方式可靠性低，容易老化，同时对桌球本身可能造成损坏因此，系统中采用反射式红外接近开关作为触发机构根据红外开关的作用距离，我们采用 TCRT5000 红外反射式传感器，该传感器的作用距离为 0.2-15mm，满足系统要求由于 TCRT5000 红外反射式传感器输出的信号非常微弱，不能直接触发单片机中断，因此需要设计外围电路，触发机构电路如图 5 所示：图 5 触发机构电路图由图 5 可知，TCRT5000 红外反射式传感器的集电极被 10K 电阻上拉到+5V，然后连接到运算放大器 LF353 的正向输入端，LF353 的反相输入端连接一个 0-5V 的可调电压，运算放大器采用单电源供电分析可知，当没有物体经过时，TCRT5000 接收管的集电极与发射极开路，TCRT5000 的集电极电压为 5V；当有物体经过时，TCRT5000 接收管的集电极与发射极导通，TCRT5000 的集电极电压降低到 3.6V。
因此，通过调节 LF353 的反相输入电压在3.6V-5V 之间时，可使 LF353 的输出端在没有物体通过时输出 5V，有物体通过时输出 0V由于运算放大器固有的输入失调使得触发机构在有物体通过时输出并非 0V，而是 1.36V 左右由于触发机构输出的低电平不满足单片机外部中断触发的电气特性，因此在系统中我们采用比较器中断在图 5 中，运算放大器的输出端接单片机的 AIN0 脚，单片机的 AIN1脚接 2.5V 的输入电压，该电压由 5V 电压通过 2 个 10K 电阻分压而来因此，当有桌球经过 TCRT5000 红外反射式传感器时，反射光被红外光电二极管接收，使得单片机模拟比较器感受到电压变化，从而触发模拟比较器中断，进而，单片机控制 TCS3200D 颜色传感芯片采集数据5）传感系统机械结构设计颜色传感系统对桌球颜色数据的采集可以在运动中或者在静止的情况下进行如果在运动中实现对桌球颜色的判断存在两方面的不确定性，一是：采集时间不能保证由于桌球在导轨上的运动速度比较快，而有效的测量距离又太短，因此测量时间很短，减小测量时间可能影响到测量精度二是：由于桌球为球体，在测量段内的不同时刻，桌球对传感芯片的反光量不同，会影响到传感系统的测量精度。
基于上述两方面的原因，我们拟设计一定的机械结构用于控制桌球在测量前停到测量点上，测量完成后让球通过由于该机械结构必须能够在单片机的控制下动作，因此我们采用电磁铁来完成上述工作系统中，我们采用 MQ-Z02 型电磁铁，该型号电磁铁由 24V 直流电压供电，工作电流 0.5A，最长持续通电时间 2 分钟电磁铁的额定工作电流比较大，利用单片机的输出信号无法满足其正常的工作要求，因此，为了实现对大流的电磁铁的控制，选择利用继电器作为控制器件单片机对机械结构的控制电路如图 6 所示：图 6 单片机对机械结构的控制电路电磁铁安装在导轨的正上方，在断电时电磁铁铁芯收缩，桌球可在导轨上顺利通过；在上电后电磁铁铁芯弹出，挡住桌球静止在导轨上，便于传感系统采集数据1.3.21.3.2 主机主机Luminary Micro 公司 Stellaris®所提供一系列的微控制器是首款基于 ARM® Cortex™-M3 的控制器，它们为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的 32 位运算能力这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的 8 位和 16 位器件的价位来享受 32位的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。
本系统主机所采用的LM3S6952 属于该系列微控制器 主机功能框图如图 7 所示：图。