聯用校園卡的立定跳遠測試儀的設計①

曹厚文 唐海玉 李芃松 劉海濱

(大連理工大學 遼寧大連 116023)

2012年教育部、發展改革委、財政部、體育總局《關于進一步加強學校體育工作的若干意見》通過國務院批準。要求做好學生健康檢查制度、學生體質健康監測制度與國家學生體質健康標準測試制度的配套銜接;各學校每年對所有學生進行體質健康測試,并將測試結果經教育部門審核后上報納入國家學生體質健康標準數據管理系統(China National Student Health & Fitness Database,CNSHFD)。

立定跳遠測試用于評定人體下肢肌肉爆發力的發展水平,是《國家學生體質健康標準》要求的必測項目之一,因此,每年需要測試的學生數量非常龐大。現在一般采用的測試方式有以下兩種:一種是傳統的人工測量方法,以米尺丈量為主,手工填報數據,這樣難免會造成人為誤差,而且效率很低;另一種是測試單機與計算機連接,采用IC卡作為存儲數據的工具,其缺點是不能借助網絡讀取被測試者的信息,數據自動化處理程度不高。

該文開發設計的立定跳遠測試儀,與校園網絡連接,學生通過使用校園卡(一卡通),在信息讀取及測試數據的處理上實現自動化,解決當前測試方法存在的各種弊端。

圖1 測距系統的工作原理圖

圖2 立定跳遠測試儀整體結構圖

圖3 安裝保護套的發射段電路

圖4 HS0038B典型應用電路

圖5 接收端的單片機程序流程圖

1 系統測距原理與總體結構

1.1 測距原理

測距系統的工作原理如圖1所示。測量區長度為128cm,起跳線根據性別的不同,分別設置了男生起跳線(170cm)和女生起跳線(120cm)。測量區的發射端由128個波長為920nm的紅外二級管組成,二極管的間距為1cm。接收端由128個紅外一體化接收頭HS0038B組成,接頭的間距也是1cm,并且每個接頭分別與對面放置的紅外二極管一一對應。128個HS0038B與128路輸入-7路輸出的優先編碼電路相連接。

圖6 上位機的軟件界面

圖7 上位機軟件的設計流程圖

當學生從起跳線跳入到測量區之后,其鞋子會遮擋住一部分紅外二極管發出的光線,使得紅外接收區域與之對應部分的HS0038B接收不到紅外信號,只要判斷出鞋子擋住的距離起跳線最近的接收不到信號的HS0038B點的位置,根據優先編碼的原則,編碼電路就可以計算出這個點相對于第一個HS0038B點的距離d(0cm

1.2 系統總體設計

校園網絡平臺下立定跳遠測試儀的整體結構如圖2所示。數據采集單元包括紅外發射和接收電路,紅外發射電路由128個波長為920nm的紅外二極管組成,它們以38kHz載波的頻率發射紅外信號。紅外接收電路采用一體化接收頭HS0038B,將接收到的信號經過反相、編碼電路之后傳輸到51單片機,單片機經過串口將檢測到的數據傳輸給上位機。

上位機基于VC++6.0的MFC軟件進行編程,可將下位機傳輸過來的數據進行接收、計算及顯示,并將每一位學生的體能檢測數據進行保存,在檢測完成之后還能夠將檢測數據導出。通過對商業讀卡器的二次開發,上位機能夠實現校園卡學生基本信息的讀取,包括學生照片、姓名、性別及學號的識別,測試系統以學號作為學生立定跳遠測試數據保存的關鍵字,并能根據性別來判斷是否達到立定跳遠測試要求。

2 下位機軟硬件系統設計

2.1 發射電路

紅外發射電路主要控制128個紅外二極管以38kHz的載波連續發射紅外信號,由于紅外二級管放置的間距為1cm,整個發射端的縱向長度為1.28m,這樣長的距離對于PCB電路板的繪制和制作來說,基本不可能實現。為了解決這個問題,本文采用10塊長度為13cm的PCB電路板進行拼接,每塊PCB板上有13個紅外二極管,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,由于光的發散作用,在紅外接收端容易產生干擾,為了減小由此帶來的干擾,給發射端的每個紅外二極管都安裝上一個保護套,保護套有聚光作用,可以減輕紅外二極管光的發散,進而降低干擾。安裝了保護套的發射端實物電路如圖3所示。

2.2 接收電路

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

接收端的設計采用與發射端一一對應的設計方案,共需要128個HS0038B,間距為1cm,縱向長度也是1.28m。與發射端相同,接收端同樣是采用10塊長度為13cm的PCB電路板進行拼接。

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單片機是不可能實現的,需要設計一種128路輸入、很少幾路輸出的編碼電路。為此,本文設計的編碼電路使用16塊3-8線優先編碼器74HC148,并將其級聯組成128-7線優先編碼器。此電路的優點是:只需要7個IO口,即可實現對128路紅外接收電路的優先編碼與識別,大大減少了IO口的使用。通過查詢元器件手冊可知,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 單片機程序設計

采用C語言完成51單片機程序的編寫,在Keil軟件中實現,接收端的單片機程序流程圖如圖5所示。單片機連續查詢編碼電路傳輸來的數據,由3.2可知,接收端共有128個接收點,每一個接收點相對于第一個接收點的距離在0～127cm之間,此范圍內的數據是有效數據。單片機在讀取到距離第一個HS0038B接頭最近的被遮擋HS0038B接頭的有效數據之后,通過串口通訊接口將檢測到的數據傳輸到上位機。

3 上位機軟件設計

3.1 讀卡器選擇

現在市面上流行的IC卡主要分為兩種,M1卡和CPU卡。CPU卡以其安全性高、存儲容量大、讀取速度快等優點,正在逐漸取代傳統的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卡商業讀卡器,根據其提供的動態鏈接庫進行二次開發,實現對IC卡中學生基本信息的讀取。

3.2 軟件設計

上位機的軟件開發基于VC++6.0的MFC完成,其軟件界面如圖6所示。

上位機軟件的設計流程圖如圖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,刷卡讀取被測試者基本信息,如果被測試者的信息與其本人相符合,點擊個人信息確認按鍵,開始進入立定跳遠測試。當被測試者從起跳線跳進入測量區之后,原地站穩不動,此時點擊檢測按鍵,上位機將讀取測試數據并進行計算,上位機顯示出測試成績之后,學生可以離開被測區域,點擊確定按鍵,該次檢測的數據會自動保存,然后開始下一次測試。測試完成之后,點擊導出數據按鍵可以將檢測得到的數據導出,用于被測試者身體素質數據的分析及上報。

4 結語

我國青少年體質不斷呈現下滑趨勢,成為全社會關注的焦點。國家相關部委高度重視,近幾年連續出臺各種政策來遏制這一現象。因此,體質測試數據的準確性和測試工作的高效性,將是給科學研究、政策制定提供有力保障。本文設計的基于校園網絡平臺下的立定跳遠測試儀,經大量的實驗測試,系統的誤差在±1cm之內,并且在自動化數據處理上,高效穩定,能夠滿足實際的使用需求,具有廣闊開發前景。

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