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無線鳴槍起跑與終點計時系統
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 余兆棠、陳新福等人】   2016年06月15日 星期三

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發令槍在各種體育活動或競賽中不可或缺,我們最熟悉的莫過於傳統的發令槍了,傳統發令槍必須使用紙雷管,傳統的發令槍一般聲音很大,聲音大小無法調整,對於近身使用之發令者之耳朵可能有不好之影響。因為使用火藥非常不環保,不僅對空氣品質不好且火藥本身就是一種易燃物體容易發生危險,在環保意識深植人心的現代社會,目前已有一些國際賽淘汰了傳統式發令槍,例如倫敦奧運田徑比賽上使用的電子式發令槍[1],市面上也有一些連線式電子式發令槍。仔細檢視這些電子式發令槍仍有一些缺點:


*須使用喇叭線連接發令槍與擴音器才能將信號傳至喇叭發出起跑槍聲。


*使用易汙染環境的電池為電力來源[2]。


*布建與使用受到信號線之限制。


因此,本專題構想結合無線通訊及太陽能電力技術,將傳統的發令槍改為無線電子式發令槍,另外可以整合設計終點計時器,建置一個「無線鳴槍起跑與終點計時系統」。本系統包括無線電子式發令槍與終點計時兩個子系統。無線電子式發令槍包括產生觸發信號與槍聲模擬信號的槍身本體以及遠端播放槍聲模組,其中信號傳輸以無線方式完成。所提出之系統使用情境如圖1所示,其中發令槍本體產生觸發信號,以ZigBee無線傳輸器傳送此信號至遠端播放槍聲模組播放槍聲並同時啟動終點計時模組開始計時並顯示計時資訊。



圖1 : 無線鳴槍起跑與終點計時系統使用情境
圖1 : 無線鳴槍起跑與終點計時系統使用情境

系統架構與功能

圖2顯示無線鳴槍起跑與終點計時系統架構,系統包含三大部分,即發令槍身本體、遠端槍聲播放模組與遠端計時模組。發令槍身本體以HT66F70A晶片[3]為控制中心,HT66F70A接收到扣擊板機之觸發信號後產生數位編碼信號,再控制ZigBee收發器[4]以無線廣播方式傳送起跑信號至遠端槍聲播放模組及遠端計時模組。遠端槍聲播放模組接收並解碼此信號後,啟動語音IC由擴音器播放槍聲。另外,計時模組也同時接收並解碼此信號後,啟動計時器並動態顯示計時資訊在七段顯示器上,當偵測到跑者通過終點線時,停止計時並顯示計時資訊。



圖2 : 無線鳴槍起跑與終點計時系統示意圖
圖2 : 無線鳴槍起跑與終點計時系統示意圖

系統設計

硬體設計

依據圖2之系統架構,發令槍、遠端槍聲播放與計時模組之硬體規劃與設計分別如圖3、圖4與圖5所示,其中遠端槍聲與計時模組皆使用太陽能電池提供電力,當所有模組啟動與初始化完成後,LED指示燈即亮燈,表示系統備便。圖3之發令槍扣板機時觸發單擊電路產生起跑信號,HT66F70A MCU接收到信號再控制ZigBee無線廣播數位編碼信號至遠端槍聲播放模組及遠端計時模組。圖4之遠端播放模組以ZigBee無線接收器接收到數位編碼信號再經由HT66F70A MCU解碼為起跑信號,同時啟動語音IC再由擴音器撥放槍聲。同時圖5之遠端計時模組,以ZigBee無線接收器接收到數位編碼信號再經由HT66F70A MCU解碼為起跑信號,並啟動計時器,將計時時間動態顯示在七段顯示器上,當紅外線遮斷器偵測到跑者通過終點線時,MCU控制計時停止並控制七段顯示器顯示計時資訊。



圖3 : 發令槍硬體架構圖
圖3 : 發令槍硬體架構圖

圖4 : 遠端槍聲播放模組硬體架構圖
圖4 : 遠端槍聲播放模組硬體架構圖

圖5 :  遠端計時模組硬體架構圖
圖5 : 遠端計時模組硬體架構圖

軟體設計

配合前述硬體規劃所設計之軟體流程分別如圖6、圖7與圖8所示,其動作流程分述如下:


發令槍本體軟體流程

圖6說明發令槍本體之軟體流程,開啟開關後,等待傳送與接收兩端的HT66F70A MCU及ZigBee無線收發器初始化連線,連線完成後,系統備便LED燈亮,當MCU偵測發令槍扣板機之單擊電路信號,MCU產生數位編碼信號,再控制ZigBee無線收發器傳送至遠端播放槍聲及遠端計時模組。



圖6 : 槍身本體軟體流程圖
圖6 : 槍身本體軟體流程圖

遠端槍聲播放模組軟體流程

圖7說明遠端槍聲播放模組之軟體流程,開啟開關後,等待傳送與接收兩端的HT66F70A MCU及ZigBee無線收發器初始化連線,連線完成後遠端槍聲播放模組持續偵測是否接收發令槍模組所廣播之數位編碼信號,當接收到此信號並解碼完成後,啟動語音IC之預錄槍聲並由擴音器播放。



圖7 : 遠端槍聲播放模組軟體流程圖
圖7 : 遠端槍聲播放模組軟體流程圖

遠端計時模組軟體流程

圖8敘述遠端計時模組之軟體流程,同樣地,系統初始化與連線完成,遠端計時模組持續偵測是否接收發令槍模組所廣播之數位編碼信號,當接收到此信號並解碼完成後,啟動計時器並動態顯示在七段顯示器上,當光遮斷器感應到遮斷信號時,表示跑者通過終點線,MCU控制計時停止,七段顯示器顯示最後計時之時間資訊。



圖8 : 遠端計時模組軟體流程圖
圖8 : 遠端計時模組軟體流程圖

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系統實現與功能測試

依據第3節之軟硬體設計,完成之無線鳴槍起跑與終點計時系統原型如圖9所示。針對所完成作品進行功能測試,測試方法與結果列述如下:


系統備便

開啟無線電子式發令槍、遠端槍聲播放模組及遠端計時模組的電源,系統啟動並備便,指示燈亮起,表示系統準備就緒,如圖9所示。



圖9 : 系統備便狀態
圖9 : 系統備便狀態

扣擊發令槍的板機

扣下發令槍的板機,此時遠端槍聲播放模組將會撥放槍聲,同時遠端計時模組將會開始計時且動態顯示計時資訊,並等待紅外線光遮斷器的遮斷信號。


計時停止

當遠端計時模組之光遮斷器感應遮斷情形(表示跑者通過達終點線),計時立即停止並顯示最後計時之時間資料,如圖10所示。


圖10 : 遠端計時模組之功能測試
圖10 : 遠端計時模組之功能測試

系統重置

按下發令槍的重置鈕,發令槍模組廣播重置信號,系統再次備便,遠端計時歸0,可進行下次之使用。


結論

本專題發揮創意將傳統發令槍設計成無線電子式,並整合設計終點計時模組,完成建置一個「無線鳴槍起跑與終點計時系統」。作品使用盛群HT66F70A為控制中心,整合ZigBee無線傳輸與周邊電路並配合韌體設計完成鳴槍起跑與終點計時功能,考慮環保綠能,遠端槍聲播放模組與終點計時模組以太陽能提供電力。目前本作品之終點計時僅能記錄一組資訊,將來尚可改進成多組計時功能。另外,本作品採模組化設計,槍身本體配合遠端槍聲播放模組可以單獨作為「無線鳴槍起跑」使用,取代傳統發令槍或有線電子式發令槍。


(本文作者余兆棠1、陳新福2、林奕成、林聖修、黎名仁為南臺科技大學1電子工程系教授、2體育教育中心教師、3電子工程系研究生)


參考文獻

[1] 愛活網新聞倫敦奧運淘汰傳統發令槍原因,http://www.evolife.cn/html/2012/66147.html


[2] 小電池大汙染 廢棄電池對環境上的汙染,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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