基于PTR2000的運(yùn)動反應(yīng)測量系統(tǒng)設(shè)計

本文實現(xiàn)了一個測量運(yùn)動員(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動反應(yīng)時的系統(tǒng)，以提高運(yùn)動員聽到發(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運(yùn)動員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時間，即運(yùn)動員的神經(jīng)-運(yùn)動反應(yīng)時，再通過無線數(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)時記錄進(jìn)行處理和繪制成反應(yīng)時曲線，能夠直觀地了解運(yùn)動員反應(yīng)時的變化及趨勢。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)主要實現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動反應(yīng)時的測定。方法是通過聲音傳感器檢測發(fā)令槍的聲音，用加速度傳感器檢測運(yùn)動員起跑的時刻，記錄運(yùn)動員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時間，再通過無線數(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)時測定模塊、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)時測定模塊用單片機(jī)作為核心部件，加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測電路，通過單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器記錄運(yùn)動員的起跑反應(yīng)時，并將記錄的數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，通過串口送至無線發(fā)送模塊，實現(xiàn)與PC機(jī)的無線通信。

　　通信模塊主要用PTR2000無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)無線數(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)計基本原理

　　測量準(zhǔn)備和系統(tǒng)自檢

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

　　數(shù)據(jù)采集

　　在系統(tǒng)自檢完成之后，如果各個部件工作正常，就可以開始測量反應(yīng)時。聲音傳感器檢測到發(fā)令槍的聲音信號后，計數(shù)器開始計數(shù)，并查詢加速度傳感器的信號，在檢測到加速度傳感器信號后停止計數(shù)，并將計數(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)的無線發(fā)送。在發(fā)送之前，對采集的數(shù)據(jù)按照無線數(shù)傳模塊的要求進(jìn)行編碼，然后將數(shù)據(jù)通過無線數(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)動員起跑反應(yīng)時處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、顯示和分析。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　從硬件角度看，系統(tǒng)可以分成單片機(jī)模塊、聲音檢測模塊、運(yùn)動檢測模塊和無線數(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)時測量裝置是安裝在運(yùn)動員小腿上，對輸入輸出口的數(shù)量需求不多，因此在選擇單片機(jī)時，應(yīng)選擇體積小、功耗小的作為系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)測量的核心部件，本系統(tǒng)采用的是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)AT89C2051。

　　聲音檢測模塊

　　聲音檢測是本系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(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。在本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音檢測部分的聲音傳感器，用其將聲音信號變換成電信號。

　　聲音檢測模塊設(shè)計的難點和重點是濾除噪音信號。在此模塊的設(shè)計過程中，經(jīng)過多次實驗，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)采取幅度比較法實現(xiàn)聲音檢測的功能。因為發(fā)令槍的聲音信號一般幅度較大，可以直接進(jìn)行放大，通過比較器與閾值電壓相比，當(dāng)聲音信號大于一定幅度時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號。主要考慮的問題是如何對駐極體話筒檢測到的微弱信號進(jìn)行放大處理。在本系統(tǒng)中采用三極管9013構(gòu)成單級放大電路對信號進(jìn)行放大。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，輸出電壓大于4V時，聲音信號振動幅度較大。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)生一個閾值電壓，在實際設(shè)計中設(shè)置為4V。電壓比較器LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號自檢電壓，若聲音檢測無故障，應(yīng)輸出高電平;OUT1作為聲音檢測信號輸出腳與單片機(jī)P1.2口相連，當(dāng)發(fā)令槍響起時輸出一個脈沖信號。

　　圖2 聲音檢測電路