基于PTR2000的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)測(cè)量運(yùn)動(dòng)員(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的系統(tǒng)，以提高運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍后的起跑速度。該系統(tǒng)是通過聲音傳感器和加速度傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，即運(yùn)動(dòng)員的神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)，再通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，并可根據(jù)反應(yīng)時(shí)記錄進(jìn)行處理和繪制成反應(yīng)時(shí)曲線，能夠直觀地了解運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的變化及趨勢(shì)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的測(cè)定。方法是通過聲音傳感器檢測(cè)發(fā)令槍的聲音，用加速度傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員起跑的時(shí)刻，記錄運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，再通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到基站進(jìn)行記錄和處理。系統(tǒng)由反應(yīng)時(shí)測(cè)定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)記錄處理模塊三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　反應(yīng)時(shí)測(cè)定模塊用單片機(jī)作為核心部件，加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測(cè)電路，通過單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器記錄運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)，并將記錄的數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，通過串口送至無(wú)線發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無(wú)線通信。

　　通信模塊主要用PTR2000無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸。

　　數(shù)據(jù)記錄處理模塊通過串行通信的方式接收無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并送到由PC機(jī)構(gòu)成的基站進(jìn)行記錄、處理和顯示。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理

　　測(cè)量準(zhǔn)備和系統(tǒng)自檢

　　系統(tǒng)在反應(yīng)時(shí)測(cè)量模塊上設(shè)置了一個(gè)按鈕，在每次測(cè)量前，按此按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)自檢，通過單片機(jī)檢查與之相連的各個(gè)部件，如存儲(chǔ)器、加速度傳感器、聲音傳感器等的狀態(tài)，以及無(wú)線通信系統(tǒng)能否正常工作。通過無(wú)線傳送模塊，將檢測(cè)到的各個(gè)部件的狀態(tài)發(fā)送到接收端，若接收端接收到正常的信號(hào)，則記錄端可以通知開始測(cè)量;若接收不到，則必須檢查、調(diào)試，或者更換測(cè)量系統(tǒng)，直到接收端接收到正常的信號(hào)方可開始測(cè)量。

　　數(shù)據(jù)采集

　　在系統(tǒng)自檢完成之后，如果各個(gè)部件工作正常，就可以開始測(cè)量反應(yīng)時(shí)。聲音傳感器檢測(cè)到發(fā)令槍的聲音信號(hào)后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并查詢加速度傳感器的信號(hào)，在檢測(cè)到加速度傳感器信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值保存在發(fā)送緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。

　　數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和接收

　　在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集完成之后，即開始數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。在發(fā)送之前，對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照無(wú)線數(shù)傳模塊的要求進(jìn)行編碼，然后將數(shù)據(jù)通過無(wú)線數(shù)傳模塊按照從高位到低位的順序進(jìn)行發(fā)送。在無(wú)線接收端，把接收到的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換和RS-232串行接口送至PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

　　數(shù)據(jù)的處理和顯示

　　由PC機(jī)構(gòu)成的基站從RS-232串行接口接收到數(shù)據(jù)后，通過運(yùn)動(dòng)員起跑反應(yīng)時(shí)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示和分析。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　從硬件角度看，系統(tǒng)可以分成單片機(jī)模塊、聲音檢測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊和無(wú)線數(shù)傳模塊等幾部分。

　　單片機(jī)模塊

　　在本系統(tǒng)中，考慮到反應(yīng)時(shí)測(cè)量裝置是安裝在運(yùn)動(dòng)員小腿上，對(duì)輸入輸出口的數(shù)量需求不多，因此在選擇單片機(jī)時(shí)，應(yīng)選擇體積小、功耗小的作為系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)測(cè)量的核心部件，本系統(tǒng)采用的是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)AT89C2051。

　　聲音檢測(cè)模塊

　　聲音檢測(cè)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，要求具有較好的靈敏度和抗干擾能力。

　　駐極體傳聲器是一種微型聲電轉(zhuǎn)換器，這種傳聲器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音檢測(cè)部分的聲音傳感器，用其將聲音信號(hào)變換成電信號(hào)。

　　聲音檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)是濾除噪音信號(hào)。在此模塊的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)采取幅度比較法實(shí)現(xiàn)聲音檢測(cè)的功能。因?yàn)榘l(fā)令槍的聲音信號(hào)一般幅度較大，可以直接進(jìn)行放大，通過比較器與閾值電壓相比，當(dāng)聲音信號(hào)大于一定幅度時(shí)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號(hào)。主要考慮的問題是如何對(duì)駐極體話筒檢測(cè)到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理。在本系統(tǒng)中采用三極管9013構(gòu)成單級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出電壓大于4V時(shí)，聲音信號(hào)振動(dòng)幅度較大。再加上比較電路就構(gòu)成了本系統(tǒng)的聲音檢測(cè)電路，如圖2所示。在此電路中，用R5和R6分壓電路產(chǎn)生一個(gè)閾值電壓，在實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)置為4V。電壓比較器LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號(hào)自檢電壓，若聲音檢測(cè)無(wú)故障，應(yīng)輸出高電平;OUT1作為聲音檢測(cè)信號(hào)輸出腳與單片機(jī)P1.2口相連，當(dāng)發(fā)令槍響起時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。

　　圖2 聲音檢測(cè)電路