第四代競走智能報警器

孔祥灝

摘 要：競走是一種兩腳交替走步的田徑運動。競走與跑步的根本區別在于競走時兩腳必須與地面輪換接觸，不能有雙腳騰空階段。而現實的競走比賽中，全憑裁判的肉眼與經驗來裁定犯規與否，裁判員的主觀判定無可避免地存在著漏判、錯漏情況。輕則影響參賽者心理狀態、重則顛覆比賽結果，這違背比賽公平競爭的基本原則。

而本設計的目的即是通過更可靠的輔助裝置，來幫助裁判判別運動員競走時騰空犯規與否，這對參賽者來講，基本能實現人人平等的良好競技環境，使人為因素的影響達到最小化。

競走智能報警器聯系課堂所學基礎電路知識：歐姆定律、通路、短路、串并聯回路等原理，把鞋前掌與后跟的常開觸點、導線、LED、計數器和蜂鳴器，通過串并聯回路設計，當鞋內的任一常開觸點受力閉合時，短接報警裝置，報警裝置不會報警，而當雙腳騰空發生時，4個常開觸點都處于斷開位置，在參賽者腰上的報警器發出蜂鳴聲和紅色閃光信號，同時，計數器會記錄一次犯規，從輔助的角度來幫助裁判員更輕松更穩妥地裁定犯規與否。

關鍵詞：競走;裁判;歐姆定律;串并聯電路

一、課題由來：

本作品由來來源于學校運動會的競走比賽中，由于技術上的一些不足，包括我在內的一些參賽選手，對裁判的判罰存有異議，但又苦于無法自證;而擔任裁判的老師也由于缺乏客觀證據，無法向我及其他選手證明其判罰的正確性。

在物理課上，老師講解并聯回路時提到，四門轎車的任一扇門開啟著，車廂內燈就會長亮，是因為四扇門各有一個小開關，與車廂內燈泡并聯，只要有一扇門開啟，燈就會長亮，四扇門都關上時燈才熄滅。讓我不禁想到，如果競走運動員的鞋子也能裝上類似的裝置，在運動員犯規時燈就能亮，將能減少很多爭議。

競走是一種兩腳交替走步的田徑運動，比賽于田徑場或公路上進行。在奧運會和重大田徑賽事中男子有20公里和50公里公路競走、20公里田徑場地競走;女子有5公里田徑場地競走、10公里公路競走。而競走與跑步的根本區別就在于走步時雙腳必須與地面輪流接觸，不可有雙腳騰空階段。

根據作者觀察理解，在各種人為與非人為因素的綜合情況下，裁判員的主觀判定無可避免地存在著錯漏，這樣的疏忽輕則影響參賽者心理狀態、重則顛覆比賽結果，這對執行公平競爭的基本準則存在著不能忽視的隱患，甚至為人為操縱比賽結果創造了溫床。

結合課堂所學的基礎電路內容，作者決定設計一個結構簡單的競走智能報警器，以解決上述問題。本設計靈感來源于擊劍運動中的電子裁判輔助器和小朋友們愛穿的閃燈童鞋。

二、原理

歐姆定律：導體中的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比。

（表達式：I=U/R）

通路：在閉合電路中，從電源正極流出，經過用電器，返回負極，形成完整的回路，稱之為通路。通路是在電路中，處處連通的電路。

斷路：當電路沒有閉合開關，或者導線沒有連接好，或用電器燒壞或沒安裝好時，即整個電路在某處斷開，處在這種狀態的電路叫做斷路。

短路：電流自電源一端未流過負載而直接流回電源的另一端，電流沒有經過用電器而構成回路。

三、制作過程

（一）制作材料

12V電池2節;電源控制開關1個;6-24V蜂鳴器;常開觸點4套;12-24V接點計數器1個;24V中間繼電器1個;100Ω電阻1個;細軟銅導線若干;刀鋒跑步鞋一雙等。

（二）制作工具

小刀、剝線鉗、螺絲刀、萬用表、透明膠、硅膠、3M絕緣膠帶、電烙鐵等。

（四）電路設計

上圖中S為直流電源;R為一阻值為100Ω的小電阻，與電源串聯起限流作用;K為開關;LED為發光二極管;speaker為蜂鳴器;4副斷開觸點并聯于聲光回路，在接觸時將LED和speaker短路。

（四）競走智能報警器的制作：

競走智能報警器的制作較簡單，先將電阻與電源串聯，再將4對觸點與蜂鳴器及LED燈并聯連接，并固定，具體步驟如下：

1.準備好運動鞋一雙（刀鋒跑步鞋）、腰帶一根，市場上很容易買到。

2.蜂鳴器、常開觸點、計數器、中間繼電器，這些材料都是在淘寶上買的，但是也費了不少周折，計數器買的是5位數的，但廠家發貨是6位計數的，顯得有點大。

3.為找到合適的電阻，本設計中測試了3種電阻，分別是1 KΩ、100Ω和10Ω;選用1KΩ時，由于電阻過大，無法供給蜂鳴器以正常工作電壓，故蜂鳴器啟動不成功。選用10Ω時，由于電阻過小，雖然蜂鳴器能啟動，但電流過大，將近1A，以致12V電池放電過快，使裝置的工作時間大大縮短;最后選用100Ω時，電阻大小合適，順利啟動蜂鳴器，同時電池短路電流降低到90mA，得到足夠長的電池壽命。

4.在R、L線路兩側各引出2根1.5M左右導線，使用電烙鐵加熱已剝好導線的裸露部分，均勻涂抹好松香，利用焊錫將開關、電阻、觸點及蜂鳴器等并聯焊接牢固。焊接時單人操作較困難，最好兩人相互配合。

5.報警裝置做好后，合上電源開關計數器卻不動作，查接線都正確就是計數器沒反應，在無數次試驗后懷疑計數器工作原理可能不對時，一不小心碰落計數器接點一根線，計數器奇跡般的動作了，原來計數器動作內部已經短接了，外面只要接一根線即可。

5. 將電池、蜂鳴器和計數器用透明膠帶包裹緊密，將其固定在腰帶上。

6. 用502膠水將4對觸點分別固定在兩只運動鞋底前后片狀空隙內，觸點裝置采用行程較短的彈簧觸軸，保證了上千次的耐用性;而觸點選用銅材質以保證接觸良好的同時兼具足夠的靈敏度。

將接點連接的線置入鞋底縫隙處，用膠帶固定，當電源開關閉合時，四個常開觸點處于斷開狀態，此時，蜂鳴器回路接通，腰帶上的蜂鳴器發出聲音，同時LED燈發光。而當任意一個常開觸點閉合后，回路短路，報警燈立即熄滅，蜂鳴器停止工作。

7、第三代競走智能報警器采用計數器亮屏顯示來代替原來的電源燈，通電時屏幕顯示又大又亮，當運動員犯規時，裁判視線容易被遮擋，聲音也聽不清楚，會誤判漏判，增加計數器后，每次犯規都會被記錄下來，并累計統計，裁判又多了一個輔助功能，使判罰更準確，同時減少裁判的人數和工作量;選用兩節12V電池后，計數器后電池電量消耗過快電源燈和蜂鳴器都能正常啟動;報警器的底座采用電木萬能板“洞洞板”，使焊接、接線更方便。

然而，第三代競走智能報警器在演示過程中還存在一些不足，例如：

（1）原先常開觸點藏于鞋墊下面，運動員在競走時還存在作弊行為，因為腳在鞋子里有一定活動空間，腳趾頭的小動作無法監督到位。現在使用先進的刀鋒跑步鞋，將常開觸點直接固定在鞋底的刀鋒內，腳趾頭無法作弊，使比賽更加公平公正。

（2）導線也從鞋子外面引出，運動員不會扯到導線，行動更加方便，采用對運動員行動影響降低到最小。

（3）采用性能更好的中間繼電器KM，保證繼電器的靈敏度和可靠性，繼電器線圈通電后同時接通兩付接點KMI和KM2，使蜂鳴器、計數器動作同步。

四、第四代作品演示

雙腳站立時，計數器屏幕亮，代替電源燈，報警燈不亮

雙腳離地時燈亮，計數器動作

左腳離地，右腳在地時報警燈不亮，計數器不動作

右腳離地，左腳在地時報警燈不亮，計數器不動作

在比賽時開啟競走智能報警器系統，計數器屏幕亮代替電源指示燈，證明電源開關開啟及回路正常。當運動員競走時，腳與地面接觸，至始至終有一個常開觸點是閉合的，此時回路將蜂鳴器短路，蜂鳴器不會報警，計數器也不會計數;當運動員雙腳騰空犯規時，4副常開觸點全部斷開，對直流源的短路效果消失，繼電器里線圈通過電流，同時閉合兩付接點，蜂鳴器開始工作，報警燈發出亮光，計數器動作一次。

比賽過程中，一旦發現報警燈閃爍、蜂鳴器發出鳴叫聲時，則說明運動員犯規，同時計數器記錄犯規1次。

五、結論

競走智能報警器小巧、輕便、可隨身攜帶不會對運動員造成不適感;能夠準確無誤地起到犯規報警作用，有效避免了運動員和裁判雙方之間不必要的爭執，從輔助的角度來幫助裁判員更輕松更穩妥地裁定犯規與否，讓事實來說話。

六、作品的優化

（1）原先三代的運動鞋，常開觸點置于鞋墊下面，運動員在競走時還存在作弊行為，因為腳在鞋子里有一定活動空間，腳趾頭擠壓觸點的犯規動作裁判無法監督到。然而，使用刀鋒跑步鞋，將常開觸點直接固定在形式刀鋒的鞋底內側，使腳趾頭無法接觸到觸點，讓比賽更加公平公正。

（2）導線也從鞋子外面引出，運動員不會扯到導線，行動更加方便，采用對運動員行動影響降低到最小。

（3）采用性能更好的中間繼電器KM，保證繼電器的靈敏度和可靠性，繼電器線圈通電后同時接通兩付接點KMI和KM2，使蜂鳴器、計數器動作同步。

4. 以上皆可根據成本要求進行優化替換。

七、參加創新活動的感悟

其實生活中有很多點點滴滴看上去微不足道，但深入研究就會發現別有洞天，遠非動腦一分鐘就能想明白個所以然。而這次四代作品設計改進看似簡單，也著實花了一些功夫。從競走的歷史和現狀，規則和判罰這些基本點去調查認知。再到運動鞋的形狀、外底的結構、中底、鞋墊等，以及運動鞋的橡膠、彈性的了解和實踐。最后還有對身邊無處不在的電路及發光二極管的以及中間繼電器的研究理解，對計數器不動作沒有選擇放棄，而是堅持不懈的查找原因，最終得到勝利女神的眷顧，幸運的找到原因。特別是身處于這個信息時代，通過網絡來獲取相關知識，教人享受到了獲取知識和實踐過程中的快樂以及自豪。

參考文獻

[1] 百度百科 baike.baidu.com

[2] 維基百科 zh.wikipedia.org