基于激光扫描的全自动往返跑训练考核装置的设计

邵锋,姚文韬,王玉萍,沈宏

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市起重设备厂有限责任有限公司，河南新乡453000）

现在的体育训练、比赛中进行往返跑计时、检测考核,往往还是采用人工考核的方式,借助秒表等装置,教练、裁判人员用肉眼观察运动员的情况.这种方式下,裁判人员的观测误差较大,而且对于运动员是否每次往返均能达标,判定不清楚,可能造成误判等情况的发生.对于运动员考核中经常会出现不踩往返线就折返跑、忘记自己折返次数而没有跑完就提前结束考核.为解决这些问题,在实践中通常在折返点上设置一个专门报数的人员,对运动员进行提醒,但由于考核时间长、人员多,这样又将占用大量的人力资源等,使得这些问题仍然没有得到很好的解决.针对这种情况设计了一种基于激光扫描的全自动往返跑检测计时考核系统,实现精确检测,人性化的提示、智能考核,减轻了工作人员的劳动强度,提高了工作质量和效率.

1 系统总体设计

根据控制要求该装置要实时检测起点和折返点的信息,所以要在起点和折返点分别放置起点设备及折返点设备.

1.1 起点控制系统

起点设备包括起点激光发射器和起点接收器组成,起点接收器的激光接收电路把扫描到的起点踏线信息送给CPU进行处理,该起点CPU完成数据处理的同时,通过起点无线传输模块把相应数据无线发给折返点设备.起点设备系统设计框图如图1所示.

图1 起点控制框图Fig.1 Starting point control diagram

1.2 折返点控制系统

折返点设备包括折返点激光发射器和折返点接收器组成,折返点接收器的激光接收电路把扫描到的折返点踏线信息送给CPU进行处理,该折返点CPU完成数据处理的同时,通过折返点无线传输模块把相应数据无线发给起点设备.折返点设备系统设计框图如图2所示.

图2 折返点控制框图Fig.2 Returning point control diagram

2 主要单元电路设计

2.1 电源电路

作为便携式设备,要经常的移动,故选用4节1.5 V的干电池供电.电池电压经一个二极管降压后供主电路（标示为Vcc）,再经LM1117稳压芯片处理后输出3.3 V的电压（标示为VDD）专门为系统中的无线模块供电.具体电路如图3所示.

图3 电源电路Fig.3 Power circuit

2.2 单片机的选取、激光产生和接收

系统中的主控芯片选用性价比比较高的8位低功耗AT89S51单片机[1],对整个过程进行检测扫描和运算处理等.对踏线信息的采集采用单色性好、相干性好、方向性好、亮度高的激光管进行检测.激光发射器中采用波长为650 nm、小功率的、红色点状半导体铜头激光管进行发射激光,接收器中采用光敏三极管进行接收.单片机最小系统、发射和接收电路如图4所示[2].为了抵抗外来的可见光和不可见光的干扰,提高光电检测的抗干扰能力,在激光发射器中可对发射的激光进行编码调制[3],在接收端光敏三极管把接收到的有效的编码调制的激光信号送给单片机,由单片机进行解调并处理.

图4 单片机最小系统Fig.4 Single chip minimize system

2.3 计时显示模块

根据考核控制要求,计时显示采用4位一体联体数码管对测试时间进行数码显示,具体电路如图5所示,计时范围00.00～99.99 s.

图5 计时显示电路Fig.5 Timing and display circuit

2.4 无线传输模块

起点设备和折返点设备中的无线数据传输模块均使用挪威Nordic公司的单片无线收发器芯片nRF905开发而成,该芯片可工作于433/868/915 MHz三个ISM（工业、科学和医学）频段,是一个真正的单片UHF无线收发芯片[4].具体电路如图6所示[5-8],其具有无线数据的发射和接收双重功能,根据控制要求由各自的CPU实时进行接收和发射功能转换.

图6 无线传输模块电路Fig.6 Wireless transmission module circuit

3 软硬件联调

3.1 起点设备的调试

（1）首先打开电源,进行起点发射器和接收器的调试,若起点发射器的对射上起点接收器,则蜂鸣器不响,若对不准,则蜂鸣器响提示设备安装有误；

（2）开始测试前先校正好激光发射器和接收器,即蜂鸣器不响；

（3）每次测试前必须先清零才能进行测试,且清零时脚不能踩着起跑线；

（4）清零后脚踩着起跑线,蜂鸣器响,进入预备状态,此时若脚离开起跑线,计时开始,秒表开始跑动；

（5）每次测试必须踩着折返线后再返回来踩着起跑线,才能有效计圈,此时圈数加1,对应的圈数指示灯亮.当最后1圈跑回来踩着起跑线时,秒表停止.此时的成绩即为测试者的最终成绩.

3.2 折返点设备的调试

（1）首先打开电源,进行折返点发射器和接收器的调试,若折返点发射器的对射上折返点接收器,则蜂鸣器不响,若对不准,则蜂鸣器响提示设备安装有误；

（2）开始测试前先校正好折返点激光发射器和接收器,即蜂鸣器不响；

（3）每次踩线都会有声光提示,若中途红外管对不准,则蜂鸣器会一直响；

（4）每次踏折返线必须和起跑线配合,即踏过起跑线后再踏折返线才能有效计圈.

4 结束语

经试用该考核装置在往返跑考核过程中实现了对起点位置和折返点位置的精确扫描检测、对整个过程的准确计时、对运动员的人性化声光报警提示等控制,减轻了工作人员的劳动强度,提高了工作质量和效率.便于工业化生产,性价也比较高,正在申报专利,并推向市场.本设计到目前为止也仅仅只是做了一个良好的开端,它不仅需要在技术和质量上进一步加强,而且也需要在产品结构和品种上进一步丰富.

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