基于Arduino 的径赛电子计时系统的设计与实现

田雨

（沈阳体育学院，辽宁 沈阳110102）

1 概述

为了让同学们更好的锻炼身体，学校通常会组织各式各样的体育活动，其中最常见的就是径赛项目。通过对5 所小学、3所中学、2 所高中和2 所大学的常有的径赛活动进行统计分析发现，学校常规的径赛项目有100 米、200 米、400 米，200 米接力、400 米接力、800 米、1000 米、1500 米等。初中还有体育中考，其中耐力项目测试女子800 米、男子1000 米。高中和大学每年还会有国家体质健康测试，同样是要求女子800 米、男子1000米。在学校体育径赛活动中，传统的计时方式都是体育老师或者是聘请的专业裁判由人工手动操作完成。计时员裁判员有时依据发令枪的烟雾后启动手中的秒表，有时通过口令启动手中的秒表，当运动员通过终点后停止计时。这种手动计时的方法的缺点是误差大、准确度低。在标准化的赛场上，径赛项目采用的是电子计时的方式。现有的径赛电子计时系统是在起点处安装发令器，发令器启动后，系统开始计时，运动员通过终点时操作员启动拍摄器，拍摄下运动员通过终点的图像，然后裁判员根据图片进行成绩判定。但该套径赛电子计时系统价格非常昂贵，所以作为一般学校都不会购买此类器材，用于学生径赛成绩的判定。所以本系统设计目标就是经济、简单、实用、安全。经济性：本设计拥有着大量的潜在市场，是能够在学校及普通人日常生活中应用的，所以应尽可能的使其物美价廉。简单性：径赛裁判是专业性非常高的工作，对于非专业人士来说本系统不要求使用者掌握专业裁判的知识就可以使用该系统。实用性：本设计是工具，因此设计时应该多考虑一些实用功能，减少冗杂而不必要的功能。安全性：因为该系统应用于径赛场地上，所以要保证设计结构的安全、避免系统原件的连接给运动员制造不安全因素。

2 总体设计架构

针对该系统应用环境的分析，该系统分为两个功能模块，其一试用于运动会等比赛模式，其二适用于体育中考及国家体质健康的测试模式。在运动会径赛模块下，通常比赛会分成多组进行，例如某小学100 米会有三组，每组6 名同学，可最终获得奖励的同学只有三组选手中的前三名。所以运动会竞赛模式应该先选择比赛项目，然后开始测试，每组比赛结束后，系统会自动将比赛成绩排序。

而在体育中考和国家体质健康测试环境中，使用者先选择是体育中考还是国家体质健康测试，然后选择性别和所对应的年级，系统运行后，当运动员终点时，系统就会依据之前已经录入到系统中的评分标准判定学生的成绩，通过声光电等形式提示学生测试结果。考虑到今后评分标准会进一步修改的情况，系统提供了修改评分标准的功能。总体结构框图如图1 所示。

图1 总体结构框图

3 硬件电路的设计与实现

Arduino 是全球最流行的开源硬件及硬件开发平台。Arduino 的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino 来开发他们的项目、产品；大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino 相关课程。本设计就是体育院校开展创客教育学习过程中设计出的创意产品。本系统以Arduino UNO 作为整个系统的控制器，它是一款以ATMEGA328P 为核心芯片的低成本主控器，有14 个数字输入/输出引脚（其中6 个可用于PWM输出）、6 个模拟输入引脚，一个16MHz 的晶体振荡器，一个USB 接口，一个DC 接口，一个ICSP 接口，一个复位按钮组成。它可以满足径赛电子计时系统所需的输入输出I/0 口数量要求。

3.1 系统硬件使用方法

第一步：在液晶屏、旋转电位器和按钮的配合下，选择进入测试模式还是比赛模式；第二步：同样在液晶屏、旋转电位器和按钮的配合下，在选择比赛项目或测试类型、性别、年级等；第三步点击“发令”按钮，通过语音模块播放发令口令和枪声；第四步：枪声响起的同时时钟模块初始化，计时器启动；第五步：红外对射模块开启工作，因为短距离项目时运动员仅一次通过终点裁判线，而长距离项目时运动员确需要多次通过终点裁判线，如果红外对射模块常开，系统会错误记录许多中间数据，所以本系统会依据优秀运动员的比赛记录启动红外对射模块；第六步：运动员通过终点线时，触发红外对射模块，将此时的时间写入系统；第七步：指示灯、蜂鸣器和液晶屏模块展示通过终点的运动员成绩；第八步比赛模式会将同组别的成绩进行排序，可以通过旋转电位器和液晶屏浏览该组成绩。测试模式可以通过旋转电位器和液晶屏浏览测试者的成绩。该系统的第一和第二步可以跳过，直接点击“发令”按钮，系统会默认之前的设定的模式。

3.2 系统硬件选取

本设计包括Arduino UNO、1602 LCD 液晶屏、语音模块、DS1302 时钟模块、旋转电位器、红外对射模块、按键组等，径赛电子计时系统的硬件设计框图如图2 所示，下面具体介绍系统主要硬件模块。

（1）时钟模块DS1230：DS1230 模块是低成本、高精度的实时时钟（RTC）。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。RTC 保存秒、分、时、星期、日期、月和年信息。少于31 天的月份，将自动调整月末的日期，包括闰年的修正。该模块在本系统中使用时，系统启动时分和秒的数值被初始化为零，计时系统开始计时。

（2）ISD1820 录音语音模块：供电电源为3-5V，直接驱动8欧0.5W 小喇叭，可直接连接在Arduino 的I/0 引脚上驱动，该模块可以高质量、自然的还原10 秒内的语音录放功能，该模块自身按钮可以实现循环播放、点动播放、单遍播放功能。该模块在本系统中通过录音功能录制发令口令和枪声，放音功能播放口令和枪声。

（3）红外对射模块：运动会通常都在室外进行，自然光对于红外对射模块的影响较大。针对本系统的应用场景的需要，系统选用ABO-20 红外对射单数光红外对射户外感应器模块实现。该模块探测距离为20 米，工作电压为12-24V, 供电电流>50mA，触发时间50ms。该模块在系统的控制下在规定的时间启动，系统启动后运动员通过红外对射模块，开关闭合将信号输入到Arduino 的I/0 引脚上。Arduino 系统过继电器激活红外对射模块外部供电系统开启工作，用于应对由于需要多次通过终点线而多次记录无效数据的情况。

图2 硬件设计框图

4 软件的设计与实现

4.1 系统运行环境

本系统主要基于当下最普及的window 10 操作系统为系统运行环境，Arduino IDE 版本为1.8.12，通过C 语言编写程序代码。

4.2 变量与数组的使用

系统中通过旋转电位器和确定按钮设置系统模式、性别、年龄等信息。例如：

体育中考成绩以及国家体质健康评分表，通过二维数组进行记录，为了便于计算，系统将所有的评分标准统一换算成以秒为基础单位记录的数据。例如，体育中考标准评分表如下：

int tyzk[3][2] = {{290, 265},{275, 260},{265, 255}};

4.3 旋转电位器和确认按钮设置模式

旋转电位器和确认按钮用于模式选择，以性别设置为例，代码如下：

4.4 系统计时模块程序

枪声响起DS1302 的时、分、秒被重新初始化为零。

运动员通过终点时，系统将运动员的成绩同评分表中的数据进行对比，给出相应的成绩判定。

5 结论

基于Arduino 的径赛电子计时系统，极大的缩减了电子计时系统的成本，使其可以更广泛的应用于学校体育以及普通人的日常生活中。通过分析现有电子计时系统的特点，结合该系统的日常应用环境的使用，系统以Arduino UNO 为核心控制器，添加1602 LCD 液晶屏、语音模块、DS1302 时钟模块、旋转电位器、红外对射模块、按键组等模块实现多种模式的应用。通过实际应用测试，系统较手动计时更为精准。在今后的进一步的修改过程中，将Arduino UNO 板更换为体积更小的NAno 板，LCD 液晶屏升级为触摸液晶屏，这样可以简化模式选择环节。