基于555定時器的競走違規檢測電路的設計

劉巧平，周 斌

(延安大學 物電學院，陜西 延安 716000)

基于555定時器的競走違規檢測電路的設計

劉巧平，周 斌

(延安大學 物電學院，陜西 延安 716000)

競走是我國田徑備戰世界大賽的重中之重的項目。平常訓練、實際比賽中隊員有犯規嫌疑就會被警告，沒有什么可靠的依據。如果運動員滿足競走定義，有犯規嫌疑，就被裁判警告并罰下場，這樣有時就會對有些運動員不公平。文中根據競走的定義和核心規則，分析了競走在比賽、訓練中可能存在的問題，并結合實際情況，采用555時基電路設計了一種競走違規檢測電路，并介紹了安裝方法。該設計主要針對雙腳離地犯規進行檢測，如果運動員雙腳同時離地犯規紅外線檢測儀就能檢測到，同時計數器計數一次，蜂鳴器也發出聲音提示運動員犯規。

競走；步頻；紅外線；脈沖

0 引 言

競走是我國在世界大賽中具有很強競爭力的田徑項目之一[1-2]。競走運動自產生和發展以來，伴隨著世界各國的教練員、運動員和科研人員付出的辛勤勞動和刻苦鉆研，在規則的嚴謹、判罰的公正、技術的合理、識別的精細等方面,一步步地向著更加科學、更加精尖的方向蓬勃發展[3]。競走是改變正常走路動作的一種快速走[4-6]，主要目的是通過改變身體正常走路動作使走路速度達到最大化，其比賽特點在于對技術的嚴格限制和特定的裁判規則[7]。競走是在普通走的基礎上發展起來的，是運動員與地面保持接觸，連續向前邁進的過程，沒有(人眼)可見的騰空[8-9]。前腿從觸地瞬間至垂直部位應該伸直(即膝關節不能彎曲)。普通走和競走的動作結構相同，都是由單腳支撐和雙腳支撐交替反復進行[10]。但競走有它的特點，骨盆前后轉動大，腰部有一定的扭動，兩臂積極擺動，腳觸地時腿充分伸直，步幅大，頻率高，前進速度快[11]。

競走有兩個核心規則：

(1)一個競走運動員必須始終保持至少有一只腳與地面接觸；

(2)從前進腳落地的一刻起直到腿部達到垂直的姿勢，腿部必須保持直線，膝蓋不能彎曲[12-13]。

在實際訓練、比賽中隊員有犯規嫌疑就會被警告，沒有什么可靠的依據，運動員如果滿足競走定義，有犯規嫌疑，就被裁判警告并罰下場，這樣有時就會對有些運動員不公平。文中設計主要針對雙腳離地犯規進行檢測，如果運動員雙腳同時離地犯規，紅外線檢測儀就能檢測到，同時計數器計數一次，蜂鳴器也發出聲音提示運動員犯規。

1 設計思想

1.1 雙腳離地違規檢測

在比賽或訓練過程中，雙腳同時騰空，安裝在競走鞋掌上的紅外線發射電路同時發出脈沖信號，信號就會被紅外接收電路接收，計數電路計數一次，蜂鳴器也發出一聲提示音。從而提醒隊員犯規一次。

1.2 步頻檢測

運動員每走一步，都會發出一個紅外脈沖，被計數電路接收，計數一次。讓隊員們在訓練過程中，知道自己的最佳步長、步頻，從而提高訓練效率。

1.3 555定時器簡介

555定時器是一種多用途的數字—模擬混合集成電路，可以極方便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等眾多領域廣泛應用[14]。它是用內部的定時器來構成時基電路，給其他的電路提供時序脈沖。NE555特點如下：

(1)只需簡單的電阻、電容，即可完成特定的振蕩延時作用。延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。

(2)它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。

(3)它計時精確度高、溫度穩定度佳，價格便宜。

NE555是8腳時基集成電路，各腳主要功能如下：1-接地；2-觸發；3-輸出；4-復位；5-控制電壓；6-門限；7-放電；8-電源電壓VCC。

圖1是NE555內部等效電路圖。

2 電路設計

2.1 紅外發射電路

紅外線屬于不可見光，與一般的可見光線不一樣，其電磁波長在950 nm范圍內，廣泛應用于遙控和傳輸設備上[15]。

電路中紅外發光二極管，采用的是砷化鉀紅外發光二極管LD274，其屬于光角發光二極管，光角是指其管芯制作的發射錐體(拋物面)角度較大，角度小于160°。其截止電壓為4 V，導通電流為30 mA，t=10μs內允許的沖擊電流為2.5A，損耗210μW，損耗極小。

圖1 NE555內部等效電路圖

考慮到競走專用鞋的實際情況—輕便，采用的紅外發射電路，具有體積小、重量小、損耗少的優點。

由于在競走過程中，兩腳不能同時離地，主要辨別的是腳掌，所以發射電路的開關按鈕裝在鞋掌部分，發射電路的其他部分安裝在鞋面上。當把開關DR按下，電容C1和555時基電路組成振蕩電路，其峰值電流可達1A，持續時間可達0.1s。這個電路時間延遲只有0.5ms，也就是說該電路有足夠的時間判斷出隊員是否違規。圖2是紅外線發射電路。

圖2 紅外線發射電路

2.2 接收發聲模塊

采用的紅外接收器具有很高的接收靈敏度，其接收紅外線波長近為900 nm，超過人體的熱釋紅外線的波長。紅外接收元件采用一種現在常用的一體化紅外接收頭(JST)來接收紅外發射模塊所發射的紅外信號,JST在電視遙控器中應用最廣泛，內置有前置放大、限幅放大、檢波、穩壓等電路，紅外電路發射的信號，經過JST處理后，輸出脈沖信號，再經R2、VD1的控制，通過555時基電路的調制[16]，最后由555時基電路的3腳輸出放大的脈沖信號經運算放大器VT2放大后，在CP輸出并在蜂鳴器上發出聲音。紅外線接收和檢測電路如圖3所示。

2.3 計數顯示模塊

電路采用顯示組件CL002(內部無計數器)和同步加計數器CC4518組成,CC4518接成3位串行BCD碼計數器,在脈沖信號CP作用下進行十進制計數。CL002的I-IV顯示對應的3位計數值。計數脈沖由555振蕩器電路產生[17]，經VT2放大，送入計數顯示電路，記錄并顯示出來。十進制計數顯示電路見圖4。

圖3 紅外線接收和檢測器電路

圖4 十進制計數顯示電路

3 元器件的選擇與安裝

元器件的選擇，關鍵是紅外線發射、接收二極管的選擇，紅外線發射二極管有窄角紅外線發射二極管和光角紅外線發射二極管之分。窄角紅外線發射二極管，是指在制作工藝，管芯制作時，其反射錐體(拋物面)的角度較小，但其方向性較強，作用距離遠，約遙控距離是15，角度小于30°。光角發射二極管相對的發射錐體的角度就較大，由于競走是一個運動過程，筆者采用的是一個光角發射二極管，砷化鉀紅外發光二極管LD274，發射范圍大，發射強度大，作用范圍8 m。

紅外線接收二極管采用的是JST，這種接收頭簡單、常見、功能強大，內置前置放大、限幅放大、檢波、穩壓等電路。

紅外電路的安裝：小型按鈕開關DR安裝在競走鞋的鞋掌中，紅外線發射二極管安裝在鞋頭，紅外接收模塊的JST安裝在鞋跟部位。

計數顯示電路的安裝：計數顯示電路安裝在鞋的側面。

電路安裝示意圖見圖5。

圖5 電路安裝示意圖

4 結束語

經過對基于555的多功能競走技術檢測器的測試，大量測試結果表明此檢測器能有效地針對競走過程中雙腳離地犯規進行檢測，同時計數器計數一次，蜂鳴器也發出聲音提示運動員犯規。此設計能在一定程度上減少教練誤判的行為，無論是對競走隊員還是教練都提供了一定的依據。

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Design of Foul Detection Circuit in Race Walking Based on 555 Timer

LIU Qiao-ping,ZHOU Bin

(College of Physics & Electron Information,Yan’an University,Yan’an 716000,China)

Race walking is preparing for the World Series of Track and Field priority projects.In practical training and game,players that have suspected foul will be warned,there is no reliable basis.If athletes meet the definition of race walking,there is suspicion of foul,and might have been cautioned or sent off,so that sometimes would be unfair to some athletes.According to the definition and central regular of race walking,the problems existed in the competition and training of race walking are analyzed and combined the actual situation,the foul detection circuit in race walking based on 555 timer is designed and the installation method is introduced.This design is mainly for the foul that both feet go off the ground,if the athletes’ feet go off the ground at the same time,the infrared detector can detect this phenomenon,and a counter counts one time,buzzer also makes a sound that hints athletes have been foul.

race walking;step frequency;infrared ray;pulse

2015-03-29

2015-07-02

時間：2015-11-19

陜西省自然科學基金資助項目(2014JM2-5058)；2015年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目(1425)；延安大學青年項目(YDQ2014-38)；2014年延安大學研究生教育創新計劃項目

劉巧平(1981-)，女，講師，碩士，研究方向為無線通信技術、微納材料與電子器件。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20151119.1113.070.html

TN602

A

1673-629X(2016)01-0160-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.01.034