田雨

（沈陽(yáng)體育學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110102）

1 概述

為了讓同學(xué)們更好的鍛煉身體，學(xué)校通常會(huì)組織各式各樣的體育活動(dòng)，其中最常見(jiàn)的就是徑賽項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)5 所小學(xué)、3所中學(xué)、2 所高中和2 所大學(xué)的常有的徑賽活動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)校常規(guī)的徑賽項(xiàng)目有100 米、200 米、400 米，200 米接力、400 米接力、800 米、1000 米、1500 米等。初中還有體育中考，其中耐力項(xiàng)目測(cè)試女子800 米、男子1000 米。高中和大學(xué)每年還會(huì)有國(guó)家體質(zhì)健康測(cè)試，同樣是要求女子800 米、男子1000米。在學(xué)校體育徑賽活動(dòng)中，傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方式都是體育老師或者是聘請(qǐng)的專(zhuān)業(yè)裁判由人工手動(dòng)操作完成。計(jì)時(shí)員裁判員有時(shí)依據(jù)發(fā)令槍的煙霧后啟動(dòng)手中的秒表，有時(shí)通過(guò)口令啟動(dòng)手中的秒表，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員通過(guò)終點(diǎn)后停止計(jì)時(shí)。這種手動(dòng)計(jì)時(shí)的方法的缺點(diǎn)是誤差大、準(zhǔn)確度低。在標(biāo)準(zhǔn)化的賽場(chǎng)上，徑賽項(xiàng)目采用的是電子計(jì)時(shí)的方式?，F(xiàn)有的徑賽電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)是在起點(diǎn)處安裝發(fā)令器，發(fā)令器啟動(dòng)后，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)終點(diǎn)時(shí)操作員啟動(dòng)拍攝器，拍攝下運(yùn)動(dòng)員通過(guò)終點(diǎn)的圖像，然后裁判員根據(jù)圖片進(jìn)行成績(jī)判定。但該套徑賽電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，所以作為一般學(xué)校都不會(huì)購(gòu)買(mǎi)此類(lèi)器材，用于學(xué)生徑賽成績(jī)的判定。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)就是經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、實(shí)用、安全。經(jīng)濟(jì)性：本設(shè)計(jì)擁有著大量的潛在市場(chǎng)，是能夠在學(xué)校及普通人日常生活中應(yīng)用的，所以應(yīng)盡可能的使其物美價(jià)廉。簡(jiǎn)單性：徑賽裁判是專(zhuān)業(yè)性非常高的工作，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)不要求使用者掌握專(zhuān)業(yè)裁判的知識(shí)就可以使用該系統(tǒng)。實(shí)用性：本設(shè)計(jì)是工具，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該多考慮一些實(shí)用功能，減少冗雜而不必要的功能。安全性：因?yàn)樵撓到y(tǒng)應(yīng)用于徑賽場(chǎng)地上，所以要保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全、避免系統(tǒng)原件的連接給運(yùn)動(dòng)員制造不安全因素。

2 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

針對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的分析，該系統(tǒng)分為兩個(gè)功能模塊，其一試用于運(yùn)動(dòng)會(huì)等比賽模式，其二適用于體育中考及國(guó)家體質(zhì)健康的測(cè)試模式。在運(yùn)動(dòng)會(huì)徑賽模塊下，通常比賽會(huì)分成多組進(jìn)行，例如某小學(xué)100 米會(huì)有三組，每組6 名同學(xué)，可最終獲得獎(jiǎng)勵(lì)的同學(xué)只有三組選手中的前三名。所以運(yùn)動(dòng)會(huì)競(jìng)賽模式應(yīng)該先選擇比賽項(xiàng)目，然后開(kāi)始測(cè)試，每組比賽結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將比賽成績(jī)排序。

而在體育中考和國(guó)家體質(zhì)健康測(cè)試環(huán)境中，使用者先選擇是體育中考還是國(guó)家體質(zhì)健康測(cè)試，然后選擇性別和所對(duì)應(yīng)的年級(jí)，系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)依據(jù)之前已經(jīng)錄入到系統(tǒng)中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)判定學(xué)生的成績(jī)，通過(guò)聲光電等形式提示學(xué)生測(cè)試結(jié)果。考慮到今后評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)會(huì)進(jìn)一步修改的情況，系統(tǒng)提供了修改評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的功能?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Arduino 是全球最流行的開(kāi)源硬件及硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Arduino 的種種優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)硬件開(kāi)發(fā)者已經(jīng)或開(kāi)始使用Arduino 來(lái)開(kāi)發(fā)他們的項(xiàng)目、產(chǎn)品；大學(xué)里，自動(dòng)化、軟件，甚至藝術(shù)專(zhuān)業(yè)，也紛紛開(kāi)展了Arduino 相關(guān)課程。本設(shè)計(jì)就是體育院校開(kāi)展創(chuàng)客教育學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)計(jì)出的創(chuàng)意產(chǎn)品。本系統(tǒng)以Arduino UNO 作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，它是一款以ATMEGA328P 為核心芯片的低成本主控器，有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個(gè)可用于PWM輸出）、6 個(gè)模擬輸入引腳，一個(gè)16MHz 的晶體振蕩器，一個(gè)USB 接口，一個(gè)DC 接口，一個(gè)ICSP 接口，一個(gè)復(fù)位按鈕組成。它可以滿(mǎn)足徑賽電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)所需的輸入輸出I/0 口數(shù)量要求。

3.1 系統(tǒng)硬件使用方法

第一步：在液晶屏、旋轉(zhuǎn)電位器和按鈕的配合下，選擇進(jìn)入測(cè)試模式還是比賽模式；第二步：同樣在液晶屏、旋轉(zhuǎn)電位器和按鈕的配合下，在選擇比賽項(xiàng)目或測(cè)試類(lèi)型、性別、年級(jí)等；第三步點(diǎn)擊“發(fā)令”按鈕，通過(guò)語(yǔ)音模塊播放發(fā)令口令和槍聲；第四步：槍聲響起的同時(shí)時(shí)鐘模塊初始化，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)；第五步：紅外對(duì)射模塊開(kāi)啟工作，因?yàn)槎叹嚯x項(xiàng)目時(shí)運(yùn)動(dòng)員僅一次通過(guò)終點(diǎn)裁判線，而長(zhǎng)距離項(xiàng)目時(shí)運(yùn)動(dòng)員確需要多次通過(guò)終點(diǎn)裁判線，如果紅外對(duì)射模塊常開(kāi)，系統(tǒng)會(huì)錯(cuò)誤記錄許多中間數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)會(huì)依據(jù)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的比賽記錄啟動(dòng)紅外對(duì)射模塊；第六步：運(yùn)動(dòng)員通過(guò)終點(diǎn)線時(shí)，觸發(fā)紅外對(duì)射模塊，將此時(shí)的時(shí)間寫(xiě)入系統(tǒng)；第七步：指示燈、蜂鳴器和液晶屏模塊展示通過(guò)終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)員成績(jī)；第八步比賽模式會(huì)將同組別的成績(jī)進(jìn)行排序，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器和液晶屏瀏覽該組成績(jī)。測(cè)試模式可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器和液晶屏瀏覽測(cè)試者的成績(jī)。該系統(tǒng)的第一和第二步可以跳過(guò)，直接點(diǎn)擊“發(fā)令”按鈕，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)之前的設(shè)定的模式。

3.2 系統(tǒng)硬件選取

本設(shè)計(jì)包括Arduino UNO、1602 LCD 液晶屏、語(yǔ)音模塊、DS1302 時(shí)鐘模塊、旋轉(zhuǎn)電位器、紅外對(duì)射模塊、按鍵組等，徑賽電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，下面具體介紹系統(tǒng)主要硬件模塊。

（1）時(shí)鐘模塊DS1230：DS1230 模塊是低成本、高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。該器件包含電池輸入端，斷開(kāi)主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。RTC 保存秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年信息。少于31 天的月份，將自動(dòng)調(diào)整月末的日期，包括閏年的修正。該模塊在本系統(tǒng)中使用時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)分和秒的數(shù)值被初始化為零，計(jì)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

（2）ISD1820 錄音語(yǔ)音模塊：供電電源為3-5V，直接驅(qū)動(dòng)8歐0.5W 小喇叭，可直接連接在Arduino 的I/0 引腳上驅(qū)動(dòng)，該模塊可以高質(zhì)量、自然的還原10 秒內(nèi)的語(yǔ)音錄放功能，該模塊自身按鈕可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)播放、點(diǎn)動(dòng)播放、單遍播放功能。該模塊在本系統(tǒng)中通過(guò)錄音功能錄制發(fā)令口令和槍聲，放音功能播放口令和槍聲。

（3）紅外對(duì)射模塊：運(yùn)動(dòng)會(huì)通常都在室外進(jìn)行，自然光對(duì)于紅外對(duì)射模塊的影響較大。針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景的需要，系統(tǒng)選用ABO-20 紅外對(duì)射單數(shù)光紅外對(duì)射戶(hù)外感應(yīng)器模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊探測(cè)距離為20 米，工作電壓為12-24V, 供電電流>50mA，觸發(fā)時(shí)間50ms。該模塊在系統(tǒng)的控制下在規(guī)定的時(shí)間啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)動(dòng)員通過(guò)紅外對(duì)射模塊，開(kāi)關(guān)閉合將信號(hào)輸入到Arduino 的I/0 引腳上。Arduino 系統(tǒng)過(guò)繼電器激活紅外對(duì)射模塊外部供電系統(tǒng)開(kāi)啟工作，用于應(yīng)對(duì)由于需要多次通過(guò)終點(diǎn)線而多次記錄無(wú)效數(shù)據(jù)的情況。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

4 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)主要基于當(dāng)下最普及的window 10 操作系統(tǒng)為系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，Arduino IDE 版本為1.8.12，通過(guò)C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼。

4.2 變量與數(shù)組的使用

系統(tǒng)中通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器和確定按鈕設(shè)置系統(tǒng)模式、性別、年齡等信息。例如：

體育中考成績(jī)以及國(guó)家體質(zhì)健康評(píng)分表，通過(guò)二維數(shù)組進(jìn)行記錄，為了便于計(jì)算，系統(tǒng)將所有的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一換算成以秒為基礎(chǔ)單位記錄的數(shù)據(jù)。例如，體育中考標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分表如下：

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

4.3 旋轉(zhuǎn)電位器和確認(rèn)按鈕設(shè)置模式

旋轉(zhuǎn)電位器和確認(rèn)按鈕用于模式選擇，以性別設(shè)置為例，代碼如下：

4.4 系統(tǒng)計(jì)時(shí)模塊程序

槍聲響起DS1302 的時(shí)、分、秒被重新初始化為零。

運(yùn)動(dòng)員通過(guò)終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)同評(píng)分表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出相應(yīng)的成績(jī)判定。

5 結(jié)論

基于Arduino 的徑賽電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)，極大的縮減了電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)的成本，使其可以更廣泛的應(yīng)用于學(xué)校體育以及普通人的日常生活中。通過(guò)分析現(xiàn)有電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合該系統(tǒng)的日常應(yīng)用環(huán)境的使用，系統(tǒng)以Arduino UNO 為核心控制器，添加1602 LCD 液晶屏、語(yǔ)音模塊、DS1302 時(shí)鐘模塊、旋轉(zhuǎn)電位器、紅外對(duì)射模塊、按鍵組等模塊實(shí)現(xiàn)多種模式的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，系統(tǒng)較手動(dòng)計(jì)時(shí)更為精準(zhǔn)。在今后的進(jìn)一步的修改過(guò)程中，將Arduino UNO 板更換為體積更小的NAno 板，LCD 液晶屏升級(jí)為觸摸液晶屏，這樣可以簡(jiǎn)化模式選擇環(huán)節(jié)。