人體全身反應時間測量儀研制與應用

顧信文，高 俊，張笑昆，陶 成

（哈爾濱師范大學 體育科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

進入21世紀以來，隨著現代科學技術的不斷發展，人們對于自身運動技能的學習與控制的探索不斷深入。通過對人體心率、腦電、眼動、反應時間等指標的測量，力求發現人體運動技能學習的過程和形成的規律［1］。反應時間作為推斷人體運動特征和信息的重要指標，歷來受到體育專家、學者的重視。近年來，人們更是將人體反應時間中的全身反應時間作為評價動作形式和開始時間預判能力的重要指標。基于此，本研究通過研制人體全身反應時間測量儀，力求在改進運動人體科研實驗設備和培養運動科學試驗人才的基礎上［2－4］，為我國人體科學的研究與發展提供理論依據與實踐參考［5］。

1 人體全身反應時間測量儀設計

人體全身反應時間測量儀包括起始信號發出裝置、壓力傳感裝置、信息記錄裝置、反應時判斷裝置（見圖1）。起始時刻發出起始信號，通知被測人員跳離承重裝置；從起始時刻至被測人員完全跳離承重裝置，按時間順序記錄承重裝置承受的壓力值及其對應時刻；從起始時刻對應的壓力值開始向后，將第一個滿足壓力值大于第一壓力的前一壓力值作為反應準備壓力值，用反應準備壓力值對應的時刻減去起始時刻得到的時間差作為反應準備時間；從反應準備壓力值開始向后，將第一個滿足壓力值小于第二壓力的壓力值的前一壓力值作為全身反應壓力值，用全身反應壓力值對應的時刻減去起始時刻得到的時間差作為全身反應時間。

圖1 儀器設計框圖

2 人體全身反應時間測量儀的研制

本系統由主機和彈跳臺組成，主機上有一個85.4 mm（3.5英寸）液晶屏幕、一個按鍵、起跳指示燈、起跳蜂鳴器，以及開關和數據電纜組成。主機內部包含所有電子系統和電池。

2.1 彈跳測試臺

圖2 彈跳測試臺

彈跳測試臺（見圖2）由4個單臂半橋式電阻應變片構成，應變片與自帶的等值電阻組成了2組差動單臂全橋電路。在5V供電下，每組應變片可以輸出2mV／kg的電壓偏移。這2組偏移量經過差動放大，可以直接與AC／DC相連接。主控電路經過采樣，就可以實時監測彈跳測試臺受到的壓力。

2.2 放大電路

電路的目的是把傳感器產生的微弱電信號放大［6］。變成適合 AC／DC識別的電壓輸出（0～5V）。由于傳感器輸出的是差動信號，所以采用多組差動電路進行放大，見圖3。U1A與U1B共同組成了一個高阻抗輸入的差分變換電路，單臂全橋電路差動輸出經過這2個運放被轉換為放大倍數為2、相對模擬地（GND）單調變化的量。

圖3 放大電路

2.3 主控制器和外圍電路

系統主控制器（見圖4）為STC12C5AS2，該芯片為高性能8位單片機，增強型Intel8051內核，內置AD轉換器［7］。K1為“開始測試”按鈕，檢測到按鈕按下后，控制器完成數據采集和分析任務，并通過通用并行輸入輸出接口（GPIO）將結果輸出到液晶屏幕上顯示。

2.4 系統軟件模型

系統需要測量的參數有3個，分別是反應時間tr、起跳時間tj和最大彈力Fmax。如圖5所示，從操作者按下開始按鈕開始計時，到被測試者開始對踏板發力，這段時間記為反應時間，從該時刻到被測試者脫離踏板，這個時間記為起跳時間，全程最大值記為最大彈力。通過實際測得的2個典型彈力對時間（F－t）的曲線，可以明顯地看出彈跳板隨時間的受力情況。顯然，該過程可以分為靜止、起跳、脫離3個階段。

此外，從實測圖像中，我們還能發現一個問題，盡管系統采用了電池供電，但仍然無法避免來自外界的干擾，造成很多干擾夾雜在數據中，因此在處理數據之前，系統采用數字濾波算法，取均數等方法對原始數據進行處理，去除干擾，使測量更加精確［8］。

3 人體全身反應時間測量儀的應用

人體全身反應時間測量儀經過反復研制和測試，已經獲得成功。其測試過程為：被測試人員站于彈跳測試臺之上，裝置在起始時刻發出起始信號，用于通知位于承重裝置上表面的被測人員跳離所述承重裝置。從所述起始時刻起，按時間順序記錄承重裝置所承受的壓力值及其對應的時刻，直至被測人員完全跳離所述承重裝置為止。從所述起始時刻對應的壓力值開始向后，判斷各壓力值是否滿足反應準備條件，并將第一個滿足所述反應準備條件的壓力值的前一壓力值作為反應準備壓力值，用所述反應準備壓力值對應的時刻減去所述起始時刻得到的時間差作為反應準備時間。其中，所述反應準備條件為壓力值大于第一壓力；從所述反應準備壓力值開始向后，判斷各壓力值是否滿足全身反應條件，并將第一個滿足所述全身反應條件的壓力值的前一壓力值作為全身反應壓力值，用所述全身反應壓力值對應的時刻減去所述起始時刻得到的時間差作為全身反應時間。

圖4 主控制器和外圍電路

圖5 系統軟件模型

從被測人員全身反應時間的記錄來看（見圖6），從發出起始信號的起始時刻起，直至被測人員完全跳離承重裝置為止，完整地記錄了被測人員從看到起始信號到完全跳離承重裝置而反應完成這一段時間對承重裝置的壓力值。從其反應過程來看，體重為80kg的被測人員在起始的0.01s時處于靜止狀態，此時系統反應的壓力為被測者自身體重。隨著系統信號變化，測試臺記錄下人體起跳過程準備階段、起跳階段和跳離階段的反應壓力變化。從圖6可以看到：在0.34s時被試者處于準備起跳階段，由于下肢的彎曲收縮使人體處于一定的失重狀態，因此在該時段儀器所測得的壓力要小于被試者的自身重力；隨后測試者根據系統發出的信號準備起跳，儀器所測得的壓力也快速上升，但在0.52s時壓力曲線的小幅變化表明，被測者在起跳前有一定的調整動作；隨后，測試儀紀錄了被測者跳離測試平臺時的最大力量190kg，約為被 測者自身體重的2.3倍。

圖6 測試人員彈跳力變化圖

從這一測試過程可以看到，被測人員在看到起始信號到神經系統支配身體肌肉發出動作這一段時間內，對承重裝置的壓力都小于第一壓力這一壓力臨界值，而被測人員完全跳離承重裝置之后，對承重裝置的壓力都不大于第二壓力這一臨界壓力值。因此，儀器所提供的測試方法能夠準確地確定被測人員的神經系統支配身體肌肉發出動作的時刻以及完全跳離承重裝置的時刻，從而可以在準確確定人體全身反應時間的基礎上，進一步準確確定從被測人員看到起始信號開始到神經系統支配肌肉發出動作這一段反應準備時間。

本儀器經過大范圍連續使用和反復檢測，結果顯示人體全身反應時間測試儀所獲得的數據真實、性能穩定。儀器攜帶方便、操作簡單、使用安全，可適用于不同環境和不同等級運動員以及普通人群人體全身反應時間測試。工作參數為最大載荷200kg、載荷分辨率0.2 kg、最小分辨時間0.01s、工作溫度0～60℃。目前，該人體全身反應時間測量儀已經獲得國家發明專利1項和國家實用新型專利1項。該儀器對2010級、2011級哈爾濱師范大學公共體育教學的學生、體育專業教學的學生和黑龍江省2010年少年田徑比賽的專業運動員進行了測試，測試人群達到783人。結果表明，不同人群和不同等級的運動員人體全身反應時間差異顯著、測試效果明顯，說明人體全身反應時間測量儀的研制是非常成功的。人體全身反應時間測量儀的研制成功，能夠有效地解決人體全身反應時間測量在實驗教學和科研上應用的穩定性和有效性問題。這將為相關技術進一步推廣應用和學生、專業運動員等體質健康、技能測試等實驗中心的建設提供技術支持［9］。

4 結束語

人體全身反應時間測量儀經過反復研制與測試，已經解決了整體構造設計、內部設置結構的功能與安全問題，并獲得了國家發明專利和國家實用新型專利保護。該儀器經過反復多次對人的全身簡單反應時間、選擇反應時間和辨別反應時間測試實驗教學的應用，表明整機使用性能穩定，操作方便，安全實用。實驗數據采集準確，測量方法簡便，測量效率較高，適用人群較廣，能夠為運動員競技運動訓練和群眾體育休閑健身提供科學練習的指導依據，已達到了項目的預期目標。

（References）

［1］Richard A Magill.運動技能學習與控制［M］.張忠秋，譯.北京：中國輕工業出版社，2006.

［2］張友琴，王萍，朱昌平，等.以大學生創新性實驗計劃為契機培養創新人才［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）：167－170.

［3］張富貴，黃海松，呂敬堂，等.單片機設計性實驗與工程能力的培養［J］.實驗技術與管理，2011，28（2）：135－138.

［4］馮翠菊，蔡莉莉.以研究式實驗教學培養創新人才［J］.實驗室研究與探索，2011，30（5）：75－76.

［5］王霞萍.納米技術在體育生物科學應用中的研究展望［J］.西安體育學院學報，2002，19（4）：54－55.

［6］張愛華，于忠黨.電路實驗結果的機器評價研究［J］.實驗技術與管理，2010，27（3）：46－49.

［7］歐偉明.基于FPGA和MCU的200通道A／D轉換器的設計［J］.電子器件，2007，30（4）：1234－1238.

［8］姜乃卓，陳孝楨.微弱周期信號頻率檢測的一種改進方法［J］.實驗技術與管理，2009，26（8）：32－35.

［9］高俊，陶成，馬靜巖.學生體質健康綜合實驗中心的建設與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（10）：129－131，138.