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

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
   

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。