用TFmini Plus实现体前屈自动测量

benewake

1.           体前屈自动测量仪

1.1         应用背景

坐位体前屈（如图1.1所示）是一种体育锻炼项目，也是中国大中小学体质健康测试项目，它的测试目的是测量在静止状态下的躯干、腰、髋等关节可能达到的活动幅度，主要反映这些部位的关节、韧带和肌肉的伸展性和弹性及身体柔韧素质的发展水平，现坐位体前屈是中国体育中考中的必考项目之一。

图1.1 坐位体前屈

1.2         应用简介

本系统为利用北醒公司TFmini Plus、Arduino-UNO板、0.91寸OLED显示模块、BY8301-16P语音模块、喇叭以及传统的坐位体前屈测量仪结合设计开发的自动测量装置。

系统作用：实现体前屈自动测量，并显示、播报测量结果，减少人为读数过程，使体育测试过程更智能化、人性化。

2.           试验设备及接线

2.1         实验设备

l  Benewake TFmini Plus标版

图2.1 TFmini Plus

TFmini Plus（如图2.1所示），详细参数见TFmini Plus使用说明。

l  Arduino-UNO板

图2.2 Arduino UNO

l  0.91寸OLED液晶屏

图2.3 OLED显示屏

规格：0.91寸OLED屏（如图2.3所示），128*32点阵，IIC控制接口，兼容3.3-5V。

作用：用来显示测量结果。

l  BY8301-16P语音模块

图2.4 BY8301-16P语音模块

规格：语音模块如图2.4所示，其工作电压为DC 3.6-5V，支持MP3/WAV格式，支持UART串口通信控制，自带3W功放/可外接功放。

作用：用来控制喇叭，播报提示信息和测量结果。

l  BY-90-1W 无源喇叭

图2.5 无源喇叭

规格：喇叭（如图2.5所示）功率为8Ω1W。

作用：播报提示信息和测量结果。

l  电脑

图2.6 电脑

如图2.6所示，作为该系统的上位机，用来编写并上传程序到UNO板。

l  传统坐位体前屈测量仪

图2.7 体前屈测试仪

l  连接线

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg

图2.8 连接线

杜邦线——用于Plus与UNO板连接；

USB方口数据线——用于UNO板与电脑连接以及供电。

2.2         接线

图2.9 系统接线图

l  TFmini Plus 线序：

图2.10 TFmini Plus线序

TFminiPlus供电电压为5V，直接连接Arduino板的5V和GND，其他雷达需查阅产品规格书，确保供电正常；

l  对于Arduino UNO板，串口通信连接需要注意：

（1）   TFmini Plus的TX端接板子的pin 4口（软串口Serial2的RX），雷达的RX端接板子的pin 5口（软串口Serial2的TX），

（2）   语音模块接UNO板的5V和GND，TX端接板子的pin 2口（软串口Serial1的RX），雷达的RX端接板子的pin 3口（软串口Serial1的TX），软串口1定义在voice库中，语音模块只能按照顺序接UNO板的2、3引脚，否则必须修改voice库文件（支持设置音量0-20）；

l  0.91寸OLED显示屏连接5V（或3.3V）和GND供电， SCL和SDA接UNO板的SCL和SDA；

3.             体前屈自动测量原理

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image025.png图3.1 体前屈自动测量系统示意图

图3.2 体前屈自动测量工作原理流程图

如图3.1和图3.2所示，为体前屈自动测量的系统示意图和工作原理流程图。

首先，我们包含voice和oled库文件，定义变量，对串口、语音模块和OLED显示屏进行初始化；读取雷达数据，对系统进行标定，获得start=dist1,zero=dist0;

然后，读取数据，判断位置初始化状态init_stat和雷达数据与start的关系，如果不满足要求，获取数据再进行判断，如果满足要求（!init_stat（没有初始化） && D==start（雷达数据与标定的初始位置相等）），语音模块播报“ready” ，开始测量；

测量过程中，继续判断位置初始化状态init_stat和雷达数据与start的关系，如果不满足要求，获取数据再进行判断，如果满足要求（init_stat（位置初始完毕） && D！=start（挡板离开初始位置））；时刻检测挡板是否移动，如果挡板静止，大约经历2.3s，系统测距稳定，播报和显示测量结果；

最后，判断是否需要进行下一次测试，如果不需要，断电，结束测试。

4.             系统程序编写

该例程需要添加OLED的库和自定义的库voice和oled。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.jpg

##include "voice.h"

#include "oled.h"

#include<SoftwareSerial.h>//软串口头文件

SoftwareSerial Serial2(4,5); //定义软串口名称为Serial2，并把pin2定为RX，pin3定为TX

/*对于有多个串口的arduino板如DUE板，注释掉上面两段代码，直接使用Serial1串口*/

/*雷达基本数据*/

int check;//校验数值存放

int uart[9];//存放雷达测量的数据

int k;

const int HEADER=0x59;//数据包帧头

/*体前屈自动测量数据*/

int D;//雷达实测距离值

int d=0;//上一个距离值

int result=0;

const int zero=40;//标定的0点值，安装完成后需要进行标定设置

int VAR[23]={0};

int var;

int num=0;

const int start=54;//标定的起点值，安装完成后需要进行标定设置

int CHA[15]={0};

int cha=0;

int count=0;

boolean init_stat=false;//判断是否进行位置初始化

void setup()

{

Serial.begin(115200);//设置arduinouno与电脑连接串口的波特率

Serial2.begin(115200);

  oled_begin();//OLED显示模块初始化

  voice_begin();//语音模块初始化

  voice_setvolume(14);//设置喇叭音量

}

void loop()

{

  Serial2.listen();

  if(Serial2.available())//查看串口是否有数据输入

  {

   if(Serial2.read()==HEADER)//判断数据包帧头0x59

    {

      uart[0]=HEADER;

     if(Serial2.read()==HEADER)//判断数据包帧头0x59

      {

       uart[1]=HEADER;

       for(k=2;k<9;k++)//存储数据到数组

        {

         uart[k]=Serial2.read();

        }

       check=uart[0]+uart[1]+uart[2]+uart[3]+uart[4]+uart[5]+uart[6]+uart[7];

       if(uart[8]==(check&0xff))//按照协议对收到的数据进行校验

        {

         D=uart[2]+uart[3]*256;//计算距离值

          if(!init_stat&& D==start)

          {

           cha=D-start;

           for(k=15;k>=1;k--)

            {

             CHA[k]=CHA[k-1];

            }

            CHA[0] =cha;

           for(k=0;k<15;k++)

            {

             if(CHA[k]==0)

              {

               count++;

              }        

            }

           oled_measuring();

           if(count>=15)

            {

             voice_ready();

             init_stat=true;  

            }

          }

          if(D!=0 &&D!=start && init_stat)

          {

           var=abs(D-d);

           for(k=23;k>=1;k--)

            {   

             VAR[k]=VAR[k-1];

            }

            VAR[0] =var;

           for(k=0;k<23;k++)

            {

             if(VAR[k]==0)

              {

               num++;      

              }

            }

           if(num>=23)

            {

             result=zero-D;

             oled_result(result);

             voice_num(result);

             Serial2.listen();

             init_stat=false;

            }

            d=D;

            num=0;

          }

        }

      }

    }

  }

}

5.            系统工作流程和数据查看

5.1         工作流程图

图5.1 系统工作流程图

l  系统安装完成后，供电，上传程序，校准起始点和0位置；

l  挡板置于起始点，等语音模块播报“ready”后，开始测量；

l  挡板离开起始点后，不能停顿过长时间，一般在2.3s以内，挡板静止后，稳定测量后，播报并在OLED中显示测量结果。

5.2         数据查看

图5.2 工作数据

6.           注意事项

l  TFmini Plus的测量分辨率为5mm，如果测量精度为mm，会有较大误差，所以只测量到cm，后面可以用精度更高的产品，实现mm级测量。

l  体前屈自动测量仪在测量过程中，不会播报，但是，不能停顿过长时间（小于2.3s）。

l  该系统为一次一测，测量完毕后，需要重新归位到起始点。   

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