联用校园卡的立定跳远测试仪的设计①

曹厚文 唐海玉 李芃松 刘海滨

(大连理工大学 辽宁大连 116023)

2012年教育部、发展改革委、财政部、体育总局《关于进一步加强学校体育工作的若干意见》通过国务院批准。要求做好学生健康检查制度、学生体质健康监测制度与国家学生体质健康标准测试制度的配套衔接;各学校每年对所有学生进行体质健康测试,并将测试结果经教育部门审核后上报纳入国家学生体质健康标准数据管理系统(China National Student Health & Fitness Database,CNSHFD)。

立定跳远测试用于评定人体下肢肌肉爆发力的发展水平,是《国家学生体质健康标准》要求的必测项目之一,因此,每年需要测试的学生数量非常庞大。现在一般采用的测试方式有以下两种:一种是传统的人工测量方法,以米尺丈量为主,手工填报数据,这样难免会造成人为误差,而且效率很低;另一种是测试单机与计算机连接,采用IC卡作为存储数据的工具,其缺点是不能借助网络读取被测试者的信息,数据自动化处理程度不高。

该文开发设计的立定跳远测试仪,与校园网络连接,学生通过使用校园卡(一卡通),在信息读取及测试数据的处理上实现自动化,解决当前测试方法存在的各种弊端。

图1 测距系统的工作原理图

图2 立定跳远测试仪整体结构图

图3 安装保护套的发射段电路

图4 HS0038B典型应用电路

图5 接收端的单片机程序流程图

1 系统测距原理与总体结构

1.1 测距原理

测距系统的工作原理如图1所示。测量区长度为128cm,起跳线根据性别的不同,分别设置了男生起跳线(170cm)和女生起跳线(120cm)。测量区的发射端由128个波长为920nm的红外二级管组成,二极管的间距为1cm。接收端由128个红外一体化接收头HS0038B组成,接头的间距也是1cm,并且每个接头分别与对面放置的红外二极管一一对应。128个HS0038B与128路输入-7路输出的优先编码电路相连接。

图6 上位机的软件界面

图7 上位机软件的设计流程图

当学生从起跳线跳入到测量区之后,其鞋子会遮挡住一部分红外二极管发出的光线,使得红外接收区域与之对应部分的HS0038B接收不到红外信号,只要判断出鞋子挡住的距离起跳线最近的接收不到信号的HS0038B点的位置,根据优先编码的原则,编码电路就可以计算出这个点相对于第一个HS0038B点的距离d(0cm

1.2 系统总体设计

校园网络平台下立定跳远测试仪的整体结构如图2所示。数据采集单元包括红外发射和接收电路,红外发射电路由128个波长为920nm的红外二极管组成,它们以38kHz载波的频率发射红外信号。红外接收电路采用一体化接收头HS0038B,将接收到的信号经过反相、编码电路之后传输到51单片机,单片机经过串口将检测到的数据传输给上位机。

上位机基于VC++6.0的MFC软件进行编程,可将下位机传输过来的数据进行接收、计算及显示,并将每一位学生的体能检测数据进行保存,在检测完成之后还能够将检测数据导出。通过对商业读卡器的二次开发,上位机能够实现校园卡学生基本信息的读取,包括学生照片、姓名、性别及学号的识别,测试系统以学号作为学生立定跳远测试数据保存的关键字,并能根据性别来判断是否达到立定跳远测试要求。

2 下位机软硬件系统设计

2.1 发射电路

红外发射电路主要控制128个红外二极管以38kHz的载波连续发射红外信号,由于红外二级管放置的间距为1cm,整个发射端的纵向长度为1.28m,这样长的距离对于PCB电路板的绘制和制作来说,基本不可能实现。为了解决这个问题,本文采用10块长度为13cm的PCB电路板进行拼接,每块PCB板上有13个红外二极管,间距为1cm,都留有电源与控制接口,便于板与板之间的拼接。

红外二极管放置的距离比较近,由于光的发散作用,在红外接收端容易产生干扰,为了减小由此带来的干扰,给发射端的每个红外二极管都安装上一个保护套,保护套有聚光作用,可以减轻红外二极管光的发散,进而降低干扰。安装了保护套的发射端实物电路如图3所示。

2.2 接收电路

接收电路采用红外一体化接收头HS0038B来接收发射端发射的红外信号,HS0038B只有3个引脚(VCC,OUT,GND),典型应用电路如图4所示,通过外接上拉电阻,可以增强输出电平的稳定性。HS0038B的输出电压特性是:在接收到红外信号时,其输出低电平,反之输出高电平。

接收端的设计采用与发射端一一对应的设计方案,共需要128个HS0038B,间距为1cm,纵向长度也是1.28m。与发射端相同,接收端同样是采用10块长度为13cm的PCB电路板进行拼接。

2.3 编码电路

如果128路红外接收电路采取并行连接方式,使用51单片机是不可能实现的,需要设计一种128路输入、很少几路输出的编码电路。为此,本文设计的编码电路使用16块3-8线优先编码器74HC148,并将其级联组成128-7线优先编码器。此电路的优点是:只需要7个IO口,即可实现对128路红外接收电路的优先编码与识别,大大减少了IO口的使用。通过查询元器件手册可知,HS0038B输出电压特性与74HC148真值表中的电压特性正好相反,需要在红外一体化接收头HS0038B和优先编码器74HC148之间加上反相电路,此处选用的是8路反相器74HC540。

2.4 单片机程序设计

采用C语言完成51单片机程序的编写,在Keil软件中实现,接收端的单片机程序流程图如图5所示。单片机连续查询编码电路传输来的数据,由3.2可知,接收端共有128个接收点,每一个接收点相对于第一个接收点的距离在0～127cm之间,此范围内的数据是有效数据。单片机在读取到距离第一个HS0038B接头最近的被遮挡HS0038B接头的有效数据之后,通过串口通讯接口将检测到的数据传输到上位机。

3 上位机软件设计

3.1 读卡器选择

现在市面上流行的IC卡主要分为两种,M1卡和CPU卡。CPU卡以其安全性高、存储容量大、读取速度快等优点,正在逐渐取代传统的M1卡,目前校园一卡通使用的IC卡基本上都是CPU卡。所以,本文选择带有USB接口的CPU卡商业读卡器,根据其提供的动态链接库进行二次开发,实现对IC卡中学生基本信息的读取。

3.2 软件设计

上位机的软件开发基于VC++6.0的MFC完成,其软件界面如图6所示。

上位机软件的设计流程图如图7所示。在确保电源打开及串口总线连接好的情况下,首先打开串口,刷卡读取被测试者基本信息,如果被测试者的信息与其本人相符合,点击个人信息确认按键,开始进入立定跳远测试。当被测试者从起跳线跳进入测量区之后,原地站稳不动,此时点击检测按键,上位机将读取测试数据并进行计算,上位机显示出测试成绩之后,学生可以离开被测区域,点击确定按键,该次检测的数据会自动保存,然后开始下一次测试。测试完成之后,点击导出数据按键可以将检测得到的数据导出,用于被测试者身体素质数据的分析及上报。

4 结语

我国青少年体质不断呈现下滑趋势,成为全社会关注的焦点。国家相关部委高度重视,近几年连续出台各种政策来遏制这一现象。因此,体质测试数据的准确性和测试工作的高效性,将是给科学研究、政策制定提供有力保障。本文设计的基于校园网络平台下的立定跳远测试仪,经大量的实验测试,系统的误差在±1cm之内,并且在自动化数据处理上,高效稳定,能够满足实际的使用需求,具有广阔开发前景。

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