基于NE555的多功能競(jìng)走技術(shù)檢測(cè)器的電路設(shè)計(jì)

劉巧平　周斌

摘 要： 競(jìng)走在實(shí)際訓(xùn)練、比賽中隊(duì)員有犯規(guī)嫌疑就會(huì)被警告，但沒有什么可靠的依據(jù)。運(yùn)動(dòng)員如果滿足競(jìng)走定義，有犯規(guī)嫌疑，就被裁判警告并罰下場(chǎng)，這樣有時(shí)就會(huì)對(duì)有些運(yùn)動(dòng)員不公平。根據(jù)競(jìng)走的定義和核心規(guī)則，分析競(jìng)走在比賽、訓(xùn)練中存在的問題，并結(jié)合實(shí)際情況，采用555時(shí)基電路設(shè)計(jì)了一種多功能的競(jìng)走技術(shù)檢測(cè)器，并介紹了安裝方法。該設(shè)計(jì)主要針對(duì)雙腳離地犯規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，如果運(yùn)動(dòng)員雙腳同時(shí)離地犯規(guī)紅外線檢測(cè)儀就能檢測(cè)到，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次，蜂鳴器也發(fā)出聲音提示運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)。

關(guān)鍵詞： 競(jìng)走； 步頻； 紅外線檢測(cè)儀； 犯規(guī)警告

中圖分類號(hào)： TN602?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0119?03

Abstract： In practical training and competition， the athletes with foul suspicion will be warned， which has no reliable foundation. The athletes with foul suspicion will be warned and sent off， if they meet the definition of race walking. It is unfair to some athletes， anyway. According to the definition and core regulation of race walking， the problems of race walking in competition and training are analyzed. A multifunction detector for race walking technology was designed with 555 time?base circuit in combination with the actual situation. The installation method is introduced. This detector is mainly used to detect the foul of athletes， whose both feet leave ground simultaneously. The counter of the detector counts once simultaneously and the buzzer makes a sound to remind of the foul to the athletes when it detects a foul，.

Keywords： race walking； step frequency； infrared detector； warning for foul

0 引 言

競(jìng)走是田徑比賽中具有特殊規(guī)則的比賽項(xiàng)目，也是我國(guó)在世界大賽中具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的項(xiàng)目之一[1]。競(jìng)走是改變正常走路動(dòng)作的一種快速走[2]，主要目的是通過改變身體正常走路動(dòng)作來使走路的速度達(dá)到最大化，其比賽的特點(diǎn)在于對(duì)技術(shù)的嚴(yán)格限制和特定的裁判規(guī)則[3]。競(jìng)走運(yùn)動(dòng)自產(chǎn)生和發(fā)展以來，伴隨著運(yùn)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展、運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高， 以及世界各國(guó)的教練員、運(yùn)動(dòng)員和科研人員付出的艱苦努力和精心鉆研，競(jìng)走運(yùn)動(dòng)在規(guī)則的嚴(yán)謹(jǐn)、判罰的公正、技術(shù)的合理、識(shí)別的精細(xì)方面， 一步步地向著更加科學(xué)、更加精尖的方向蓬勃的發(fā)展起來[4]。競(jìng)走是在普通走的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是運(yùn)動(dòng)員與地面保持接觸，連續(xù)向前邁進(jìn)的過程，沒有（人眼）可見的騰空[5]。前腿從觸地瞬間至垂直部位應(yīng)該伸直（即膝關(guān)節(jié)不能彎曲），兩者的動(dòng)作結(jié)構(gòu)相同，都是由單腳支撐和雙腳支撐交替反復(fù)進(jìn)行[6]。但競(jìng)走有它的特點(diǎn)，骨盆前后轉(zhuǎn)動(dòng)大，腰部有一定的扭動(dòng)，兩臂積極擺動(dòng)，腳觸地時(shí)腿充分伸直，步幅大，頻率高，前進(jìn)速度快。競(jìng)走單腳邁進(jìn)分解過程如圖1所示。

競(jìng)走有兩個(gè)核心規(guī)則：競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員使用與眾不同的步法，看起來很特別，但這種步法是規(guī)則規(guī)定的。首先，一個(gè)競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員必須始終保持至少有一只腳與地面接觸。其次，從前進(jìn)腳落地的一刻起直到腿部達(dá)到垂直的姿勢(shì)，腿部必須保持直線，膝蓋不能彎曲[7]。有9名裁判分布在比賽線路上監(jiān)督任何運(yùn)動(dòng)員的犯規(guī)動(dòng)作。當(dāng)裁判看到競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員有犯規(guī)嫌疑時(shí)就警告他1次。警告一般是通過在道路兩邊向犯規(guī)者出示白色標(biāo)志來表示的，此后裁判員會(huì)通知主裁判。

在平時(shí)訓(xùn)練、正式比賽中隊(duì)員如果有犯規(guī)嫌疑就會(huì)被警告，沒有什么可靠的依據(jù)，運(yùn)動(dòng)員如果滿足競(jìng)走定義，有犯規(guī)嫌疑，就被裁判警告并罰下場(chǎng)，這樣有時(shí)就會(huì)對(duì)有些運(yùn)動(dòng)員不公平。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)雙腳離地犯規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，如果運(yùn)動(dòng)員雙腳同時(shí)離地犯規(guī)紅外線檢測(cè)儀就能檢測(cè)到，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次，蜂鳴器也發(fā)出聲音提示運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 雙腳離地違規(guī)檢測(cè)

本設(shè)計(jì)的基本思想是若運(yùn)動(dòng)員在比賽中雙腳同時(shí)騰空，安裝在競(jìng)走鞋掌上的紅外線發(fā)射電路同時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)，信號(hào)就會(huì)被紅外接收電路接收，計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)1次，蜂鳴器也發(fā)出一聲提示音。從而提醒隊(duì)員犯規(guī)一次。雙腳騰空檢測(cè)設(shè)計(jì)思路圖如圖2所示。

1.2 步頻檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)員每走1步，都會(huì)發(fā)出1個(gè)紅外脈沖，被計(jì)數(shù)電路接收，計(jì)數(shù)1次。讓隊(duì)員們?cè)谟?xùn)練過程中，知道自己的最佳步長(zhǎng)、步頻，從而提高訓(xùn)練效率。步頻檢測(cè)設(shè)計(jì)思路圖如圖3所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外發(fā)射電路

紅外線[8]屬于不可見光，與一般的可見光線不一樣，其電磁波長(zhǎng)在950 nm范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于遙控和傳輸設(shè)備上。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1） 有較高的傳播速度，不會(huì)產(chǎn)生，空間反射以及全折射等作用而出現(xiàn)的干擾；

（2） 傳播中不會(huì)產(chǎn)生畸變?cè)胍簦?/p>

（3） 在高峰值功率情況下所需要的功率較??；

（4） 采用一定的調(diào)制方法可以有高的抗干擾性；

（5） 在僅有的一個(gè)載波頻率的情況下，可以有高的穩(wěn)定性。

電路中紅外發(fā)光二極管，采用的是砷化鉀紅外發(fā)光二極管LD274[9]，其屬于光角發(fā)光二極管，光角是指其管芯制作的發(fā)射錐體（拋物面）的角度較大，角度小于160°。其截止電壓為4 V，導(dǎo)通電流為30 mA，t=10 μs內(nèi)允許的沖擊電流為2.5 A，損耗210 μW，損耗極小?？諝鉄嶙柚袨镽t=350 K/W。阻擋層溫度為100 ℃。 考慮到競(jìng)走專用鞋的實(shí)際情況——輕便，這里用的紅外發(fā)射電路，具有體積小，重量小，損耗少的優(yōu)點(diǎn)。

由于在競(jìng)走過程中，兩腳不能同時(shí)離地，主要辨別的是腳掌，所以發(fā)射電路的開關(guān)按鈕裝在鞋掌部分，發(fā)射電路的其他部分安裝在鞋面上，當(dāng)把開關(guān)DR按下，作為能源的電容器C1將通過由發(fā)光二極管VD發(fā)射放電，形成由555[10]組成的時(shí)基電路和晶體管VT控制，其峰值電流可達(dá)1 A ，持續(xù)時(shí)間可有0.1 s。這個(gè)電路時(shí)間延遲只有0.5 ms，也就是說該電路有足夠的時(shí)間判斷出隊(duì)員是否違規(guī)。圖4是紅外線發(fā)射電路。

2.2 接收發(fā)聲模塊

采用的紅外接收器具有很高的接收靈敏度，其接收紅外線波長(zhǎng)近900 nm，超過人體的熱釋紅外線的波長(zhǎng)。紅外接收元件采用一種現(xiàn)在常用的一體化紅外接收頭（JST）來接收紅外發(fā)射模塊所發(fā)射的紅外信號(hào)，一體化紅外接收頭（JST）在電視遙控器中應(yīng)用最廣泛，內(nèi)置有前置放大、限幅放大、檢波、穩(wěn)壓等電路，紅外電路發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)過（JST）處理后，輸出脈沖信號(hào)，再經(jīng)R2，VD1的控制，通過555時(shí)基電路的調(diào)制，最后由555時(shí)基電路的3腳輸出放大的脈沖信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器VT2放大后，在CP輸出并在蜂鳴器上發(fā)出聲音。紅外線接收和蜂鳴器電路如圖5所示。

2.3 計(jì)數(shù)顯示模塊

電路采用顯示組件CL002（內(nèi)部無計(jì)數(shù)器）和同步加計(jì)數(shù)器CC4518[11?12]組成，CC4518接成3位串行BCD碼計(jì)數(shù)器，在脈沖信號(hào)CP作用下進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)。CL002的I?IV顯示對(duì)應(yīng)的3位計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)脈沖由555振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)VT2放大，送入計(jì)數(shù)顯示電路，記錄并顯示出來。十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示電路如圖6所示。

3 元器件的選擇與安裝

元器件的選擇，關(guān)鍵是紅外線發(fā)射、接收二極管的選擇，紅外線發(fā)射二極管有窄角紅外線發(fā)射二極管和光角紅外線發(fā)射二極管之分，窄角紅外線發(fā)射二極管是指在制作工藝，管芯制作時(shí)，其反射錐體（拋物面）的角度較小，但其方向性較強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)，約遙控距離是15 m，角度小于30°。光角發(fā)射二極管相對(duì)的發(fā)射錐體的角度就較大，由于競(jìng)走是一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，筆者采用的是一個(gè)光角發(fā)射二極管。砷化鉀紅外發(fā)光二極管LD274，發(fā)射范圍大，發(fā)射強(qiáng)度大，作用范圍8 m。紅外線接收二極管采用的是一體化紅外接收頭（JST），這種接收頭簡(jiǎn)單、常見、功能強(qiáng)大，內(nèi)置前置放大、限幅放大、檢波、穩(wěn)壓等電路。

紅外電路的安裝：小型按鈕開關(guān)DR安裝在競(jìng)走鞋的鞋掌中，紅外線發(fā)射二極管安裝在鞋頭，紅外接收模塊的一體化接收頭（JST）安裝在鞋跟部位。計(jì)數(shù)顯示電路安裝在鞋的側(cè)面。

4 結(jié) 語

經(jīng)過對(duì)基于555的多功能競(jìng)走技術(shù)檢測(cè)器的測(cè)試，大量測(cè)試結(jié)果表明此檢測(cè)器能有效地針對(duì)競(jìng)走過程中雙腳離地犯規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，蜂鳴器也發(fā)出聲音提示運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)。此設(shè)計(jì)能一定程度上減少教練誤判的行為，無論是對(duì)競(jìng)走隊(duì)員還是教練都提供了一定的依據(jù)。

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