曹厚文 唐海玉 李芃松 劉海濱

(大連理工大學(xué) 遼寧大連 116023)

2012年教育部、發(fā)展改革委、財(cái)政部、體育總局《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)校體育工作的若干意見》通過國務(wù)院批準(zhǔn)。要求做好學(xué)生健康檢查制度、學(xué)生體質(zhì)健康監(jiān)測(cè)制度與國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試制度的配套銜接;各學(xué)校每年對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行體質(zhì)健康測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果經(jīng)教育部門審核后上報(bào)納入國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(China National Student Health & Fitness Database,CNSHFD)。

立定跳遠(yuǎn)測(cè)試用于評(píng)定人體下肢肌肉爆發(fā)力的發(fā)展水平,是《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》要求的必測(cè)項(xiàng)目之一,因此,每年需要測(cè)試的學(xué)生數(shù)量非常龐大。現(xiàn)在一般采用的測(cè)試方式有以下兩種:一種是傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法,以米尺丈量為主,手工填報(bào)數(shù)據(jù),這樣難免會(huì)造成人為誤差,而且效率很低;另一種是測(cè)試單機(jī)與計(jì)算機(jī)連接,采用IC卡作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工具,其缺點(diǎn)是不能借助網(wǎng)絡(luò)讀取被測(cè)試者的信息,數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理程度不高。

該文開發(fā)設(shè)計(jì)的立定跳遠(yuǎn)測(cè)試儀,與校園網(wǎng)絡(luò)連接,學(xué)生通過使用校園卡(一卡通),在信息讀取及測(cè)試數(shù)據(jù)的處理上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,解決當(dāng)前測(cè)試方法存在的各種弊端。

圖1 測(cè)距系統(tǒng)的工作原理圖

圖2 立定跳遠(yuǎn)測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 安裝保護(hù)套的發(fā)射段電路

圖4 HS0038B典型應(yīng)用電路

圖5 接收端的單片機(jī)程序流程圖

1 系統(tǒng)測(cè)距原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)距原理

測(cè)距系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。測(cè)量區(qū)長度為128cm,起跳線根據(jù)性別的不同,分別設(shè)置了男生起跳線(170cm)和女生起跳線(120cm)。測(cè)量區(qū)的發(fā)射端由128個(gè)波長為920nm的紅外二級(jí)管組成,二極管的間距為1cm。接收端由128個(gè)紅外一體化接收頭HS0038B組成,接頭的間距也是1cm,并且每個(gè)接頭分別與對(duì)面放置的紅外二極管一一對(duì)應(yīng)。128個(gè)HS0038B與128路輸入-7路輸出的優(yōu)先編碼電路相連接。

圖6 上位機(jī)的軟件界面

圖7 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)學(xué)生從起跳線跳入到測(cè)量區(qū)之后,其鞋子會(huì)遮擋住一部分紅外二極管發(fā)出的光線,使得紅外接收區(qū)域與之對(duì)應(yīng)部分的HS0038B接收不到紅外信號(hào),只要判斷出鞋子擋住的距離起跳線最近的接收不到信號(hào)的HS0038B點(diǎn)的位置,根據(jù)優(yōu)先編碼的原則,編碼電路就可以計(jì)算出這個(gè)點(diǎn)相對(duì)于第一個(gè)HS0038B點(diǎn)的距離d(0cm

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下立定跳遠(yuǎn)測(cè)試儀的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元包括紅外發(fā)射和接收電路,紅外發(fā)射電路由128個(gè)波長為920nm的紅外二極管組成,它們以38kHz載波的頻率發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收電路采用一體化接收頭HS0038B,將接收到的信號(hào)經(jīng)過反相、編碼電路之后傳輸?shù)?1單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過串口將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

上位機(jī)基于VC++6.0的MFC軟件進(jìn)行編程,可將下位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、計(jì)算及顯示,并將每一位學(xué)生的體能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,在檢測(cè)完成之后還能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。通過對(duì)商業(yè)讀卡器的二次開發(fā),上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)校園卡學(xué)生基本信息的讀取,包括學(xué)生照片、姓名、性別及學(xué)號(hào)的識(shí)別,測(cè)試系統(tǒng)以學(xué)號(hào)作為學(xué)生立定跳遠(yuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)保存的關(guān)鍵字,并能根據(jù)性別來判斷是否達(dá)到立定跳遠(yuǎn)測(cè)試要求。

2 下位機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路

紅外發(fā)射電路主要控制128個(gè)紅外二極管以38kHz的載波連續(xù)發(fā)射紅外信號(hào),由于紅外二級(jí)管放置的間距為1cm,整個(gè)發(fā)射端的縱向長度為1.28m,這樣長的距離對(duì)于PCB電路板的繪制和制作來說,基本不可能實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題,本文采用10塊長度為13cm的PCB電路板進(jìn)行拼接,每塊PCB板上有13個(gè)紅外二極管,間距為1cm,都留有電源與控制接口,便于板與板之間的拼接。

紅外二極管放置的距離比較近,由于光的發(fā)散作用,在紅外接收端容易產(chǎn)生干擾,為了減小由此帶來的干擾,給發(fā)射端的每個(gè)紅外二極管都安裝上一個(gè)保護(hù)套,保護(hù)套有聚光作用,可以減輕紅外二極管光的發(fā)散,進(jìn)而降低干擾。安裝了保護(hù)套的發(fā)射端實(shí)物電路如圖3所示。

2.2 接收電路

接收電路采用紅外一體化接收頭HS0038B來接收發(fā)射端發(fā)射的紅外信號(hào),HS0038B只有3個(gè)引腳(VCC,OUT,GND),典型應(yīng)用電路如圖4所示,通過外接上拉電阻,可以增強(qiáng)輸出電平的穩(wěn)定性。HS0038B的輸出電壓特性是:在接收到紅外信號(hào)時(shí),其輸出低電平,反之輸出高電平。

接收端的設(shè)計(jì)采用與發(fā)射端一一對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案,共需要128個(gè)HS0038B,間距為1cm,縱向長度也是1.28m。與發(fā)射端相同,接收端同樣是采用10塊長度為13cm的PCB電路板進(jìn)行拼接。

2.3 編碼電路

如果128路紅外接收電路采取并行連接方式,使用51單片機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的,需要設(shè)計(jì)一種128路輸入、很少幾路輸出的編碼電路。為此,本文設(shè)計(jì)的編碼電路使用16塊3-8線優(yōu)先編碼器74HC148,并將其級(jí)聯(lián)組成128-7線優(yōu)先編碼器。此電路的優(yōu)點(diǎn)是:只需要7個(gè)IO口,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)128路紅外接收電路的優(yōu)先編碼與識(shí)別,大大減少了IO口的使用。通過查詢?cè)骷謨?cè)可知,HS0038B輸出電壓特性與74HC148真值表中的電壓特性正好相反,需要在紅外一體化接收頭HS0038B和優(yōu)先編碼器74HC148之間加上反相電路,此處選用的是8路反相器74HC540。

2.4 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用C語言完成51單片機(jī)程序的編寫,在Keil軟件中實(shí)現(xiàn),接收端的單片機(jī)程序流程圖如圖5所示。單片機(jī)連續(xù)查詢編碼電路傳輸來的數(shù)據(jù),由3.2可知,接收端共有128個(gè)接收點(diǎn),每一個(gè)接收點(diǎn)相對(duì)于第一個(gè)接收點(diǎn)的距離在0～127cm之間,此范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)。單片機(jī)在讀取到距離第一個(gè)HS0038B接頭最近的被遮擋HS0038B接頭的有效數(shù)據(jù)之后,通過串口通訊接口將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 讀卡器選擇

現(xiàn)在市面上流行的IC卡主要分為兩種,M1卡和CPU卡。CPU卡以其安全性高、存儲(chǔ)容量大、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn),正在逐漸取代傳統(tǒng)的M1卡,目前校園一卡通使用的IC卡基本上都是CPU卡。所以,本文選擇帶有USB接口的CPU卡商業(yè)讀卡器,根據(jù)其提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡中學(xué)生基本信息的讀取。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件開發(fā)基于VC++6.0的MFC完成,其軟件界面如圖6所示。

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。在確保電源打開及串口總線連接好的情況下,首先打開串口,刷卡讀取被測(cè)試者基本信息,如果被測(cè)試者的信息與其本人相符合,點(diǎn)擊個(gè)人信息確認(rèn)按鍵,開始進(jìn)入立定跳遠(yuǎn)測(cè)試。當(dāng)被測(cè)試者從起跳線跳進(jìn)入測(cè)量區(qū)之后,原地站穩(wěn)不動(dòng),此時(shí)點(diǎn)擊檢測(cè)按鍵,上位機(jī)將讀取測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算,上位機(jī)顯示出測(cè)試成績之后,學(xué)生可以離開被測(cè)區(qū)域,點(diǎn)擊確定按鍵,該次檢測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存,然后開始下一次測(cè)試。測(cè)試完成之后,點(diǎn)擊導(dǎo)出數(shù)據(jù)按鍵可以將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,用于被測(cè)試者身體素質(zhì)數(shù)據(jù)的分析及上報(bào)。

4 結(jié)語

我國青少年體質(zhì)不斷呈現(xiàn)下滑趨勢(shì),成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。國家相關(guān)部委高度重視,近幾年連續(xù)出臺(tái)各種政策來遏制這一現(xiàn)象。因此,體質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測(cè)試工作的高效性,將是給科學(xué)研究、政策制定提供有力保障。本文設(shè)計(jì)的基于校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下的立定跳遠(yuǎn)測(cè)試儀,經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,系統(tǒng)的誤差在±1cm之內(nèi),并且在自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理上,高效穩(wěn)定,能夠滿足實(shí)際的使用需求,具有廣闊開發(fā)前景。

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