基于Arduino 的徑賽電子計時系統的設計與實現

田雨

（沈陽體育學院，遼寧 沈陽110102）

1 概述

為了讓同學們更好的鍛煉身體，學校通常會組織各式各樣的體育活動，其中最常見的就是徑賽項目。通過對5 所小學、3所中學、2 所高中和2 所大學的常有的徑賽活動進行統計分析發現，學校常規的徑賽項目有100 米、200 米、400 米，200 米接力、400 米接力、800 米、1000 米、1500 米等。初中還有體育中考，其中耐力項目測試女子800 米、男子1000 米。高中和大學每年還會有國家體質健康測試，同樣是要求女子800 米、男子1000米。在學校體育徑賽活動中，傳統的計時方式都是體育老師或者是聘請的專業裁判由人工手動操作完成。計時員裁判員有時依據發令槍的煙霧后啟動手中的秒表，有時通過口令啟動手中的秒表，當運動員通過終點后停止計時。這種手動計時的方法的缺點是誤差大、準確度低。在標準化的賽場上，徑賽項目采用的是電子計時的方式。現有的徑賽電子計時系統是在起點處安裝發令器，發令器啟動后，系統開始計時，運動員通過終點時操作員啟動拍攝器，拍攝下運動員通過終點的圖像，然后裁判員根據圖片進行成績判定。但該套徑賽電子計時系統價格非常昂貴，所以作為一般學校都不會購買此類器材，用于學生徑賽成績的判定。所以本系統設計目標就是經濟、簡單、實用、安全。經濟性：本設計擁有著大量的潛在市場，是能夠在學校及普通人日常生活中應用的，所以應盡可能的使其物美價廉。簡單性：徑賽裁判是專業性非常高的工作，對于非專業人士來說本系統不要求使用者掌握專業裁判的知識就可以使用該系統。實用性：本設計是工具，因此設計時應該多考慮一些實用功能，減少冗雜而不必要的功能。安全性：因為該系統應用于徑賽場地上，所以要保證設計結構的安全、避免系統原件的連接給運動員制造不安全因素。

2 總體設計架構

針對該系統應用環境的分析，該系統分為兩個功能模塊，其一試用于運動會等比賽模式，其二適用于體育中考及國家體質健康的測試模式。在運動會徑賽模塊下，通常比賽會分成多組進行，例如某小學100 米會有三組，每組6 名同學，可最終獲得獎勵的同學只有三組選手中的前三名。所以運動會競賽模式應該先選擇比賽項目，然后開始測試，每組比賽結束后，系統會自動將比賽成績排序。

而在體育中考和國家體質健康測試環境中，使用者先選擇是體育中考還是國家體質健康測試，然后選擇性別和所對應的年級，系統運行后，當運動員終點時，系統就會依據之前已經錄入到系統中的評分標準判定學生的成績，通過聲光電等形式提示學生測試結果。考慮到今后評分標準會進一步修改的情況，系統提供了修改評分標準的功能。總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 總體結構框圖

3 硬件電路的設計與實現

Arduino 是全球最流行的開源硬件及硬件開發平臺。Arduino 的種種優勢，越來越多的專業硬件開發者已經或開始使用Arduino 來開發他們的項目、產品；大學里，自動化、軟件，甚至藝術專業，也紛紛開展了Arduino 相關課程。本設計就是體育院校開展創客教育學習過程中設計出的創意產品。本系統以Arduino UNO 作為整個系統的控制器，它是一款以ATMEGA328P 為核心芯片的低成本主控器，有14 個數字輸入/輸出引腳（其中6 個可用于PWM輸出）、6 個模擬輸入引腳，一個16MHz 的晶體振蕩器，一個USB 接口，一個DC 接口，一個ICSP 接口，一個復位按鈕組成。它可以滿足徑賽電子計時系統所需的輸入輸出I/0 口數量要求。

3.1 系統硬件使用方法

第一步：在液晶屏、旋轉電位器和按鈕的配合下，選擇進入測試模式還是比賽模式；第二步：同樣在液晶屏、旋轉電位器和按鈕的配合下，在選擇比賽項目或測試類型、性別、年級等；第三步點擊“發令”按鈕，通過語音模塊播放發令口令和槍聲；第四步：槍聲響起的同時時鐘模塊初始化，計時器啟動；第五步：紅外對射模塊開啟工作，因為短距離項目時運動員僅一次通過終點裁判線，而長距離項目時運動員確需要多次通過終點裁判線，如果紅外對射模塊常開，系統會錯誤記錄許多中間數據，所以本系統會依據優秀運動員的比賽記錄啟動紅外對射模塊；第六步：運動員通過終點線時，觸發紅外對射模塊，將此時的時間寫入系統；第七步：指示燈、蜂鳴器和液晶屏模塊展示通過終點的運動員成績；第八步比賽模式會將同組別的成績進行排序，可以通過旋轉電位器和液晶屏瀏覽該組成績。測試模式可以通過旋轉電位器和液晶屏瀏覽測試者的成績。該系統的第一和第二步可以跳過，直接點擊“發令”按鈕，系統會默認之前的設定的模式。

3.2 系統硬件選取

本設計包括Arduino UNO、1602 LCD 液晶屏、語音模塊、DS1302 時鐘模塊、旋轉電位器、紅外對射模塊、按鍵組等，徑賽電子計時系統的硬件設計框圖如圖2 所示，下面具體介紹系統主要硬件模塊。

（1）時鐘模塊DS1230：DS1230 模塊是低成本、高精度的實時時鐘（RTC）。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。RTC 保存秒、分、時、星期、日期、月和年信息。少于31 天的月份，將自動調整月末的日期，包括閏年的修正。該模塊在本系統中使用時，系統啟動時分和秒的數值被初始化為零，計時系統開始計時。

（2）ISD1820 錄音語音模塊：供電電源為3-5V，直接驅動8歐0.5W 小喇叭，可直接連接在Arduino 的I/0 引腳上驅動，該模塊可以高質量、自然的還原10 秒內的語音錄放功能，該模塊自身按鈕可以實現循環播放、點動播放、單遍播放功能。該模塊在本系統中通過錄音功能錄制發令口令和槍聲，放音功能播放口令和槍聲。

（3）紅外對射模塊：運動會通常都在室外進行，自然光對于紅外對射模塊的影響較大。針對本系統的應用場景的需要，系統選用ABO-20 紅外對射單數光紅外對射戶外感應器模塊實現。該模塊探測距離為20 米，工作電壓為12-24V, 供電電流>50mA，觸發時間50ms。該模塊在系統的控制下在規定的時間啟動，系統啟動后運動員通過紅外對射模塊，開關閉合將信號輸入到Arduino 的I/0 引腳上。Arduino 系統過繼電器激活紅外對射模塊外部供電系統開啟工作，用于應對由于需要多次通過終點線而多次記錄無效數據的情況。

圖2 硬件設計框圖

4 軟件的設計與實現

4.1 系統運行環境

本系統主要基于當下最普及的window 10 操作系統為系統運行環境，Arduino IDE 版本為1.8.12，通過C 語言編寫程序代碼。

4.2 變量與數組的使用

系統中通過旋轉電位器和確定按鈕設置系統模式、性別、年齡等信息。例如：

體育中考成績以及國家體質健康評分表，通過二維數組進行記錄，為了便于計算，系統將所有的評分標準統一換算成以秒為基礎單位記錄的數據。例如，體育中考標準評分表如下：

int tyzk[3][2] = {{290, 265},{275, 260},{265, 255}};

4.3 旋轉電位器和確認按鈕設置模式

旋轉電位器和確認按鈕用于模式選擇，以性別設置為例，代碼如下：

4.4 系統計時模塊程序

槍聲響起DS1302 的時、分、秒被重新初始化為零。

運動員通過終點時，系統將運動員的成績同評分表中的數據進行對比，給出相應的成績判定。

5 結論

基于Arduino 的徑賽電子計時系統，極大的縮減了電子計時系統的成本，使其可以更廣泛的應用于學校體育以及普通人的日常生活中。通過分析現有電子計時系統的特點，結合該系統的日常應用環境的使用，系統以Arduino UNO 為核心控制器，添加1602 LCD 液晶屏、語音模塊、DS1302 時鐘模塊、旋轉電位器、紅外對射模塊、按鍵組等模塊實現多種模式的應用。通過實際應用測試，系統較手動計時更為精準。在今后的進一步的修改過程中，將Arduino UNO 板更換為體積更小的NAno 板，LCD 液晶屏升級為觸摸液晶屏，這樣可以簡化模式選擇環節。