田徑運動中的電子起跑系統研制

（陜西財經職業技術學院,咸陽,712000）

田徑運動中的電子起跑系統研制

李健兵

（陜西財經職業技術學院,咸陽,712000）

在運動會比賽中，運動員的搶跑等現象靠人工來完成，會存在一定的誤差。為了提高運動會的公平性和準確性，電子起跑系統越來越受到人們的關注。在我國，目前一些大型賽事使用的電子起跑設備都是從國外購買，價格昂貴，不適合廣泛推廣應用。本論文設計了電子起跑系統的硬件系統和軟件系統，并進行了系統調試。

運動會；電子起跑系統

電子起跑系統也可以稱為電子起跑器，在田徑運動會的比賽中，可以對徑賽成績實現精確測量，是電動計時儀的一種重要的補充。電子起跑系統主要包括電子起跑器、發令單元、搶跑判決單元和自動招回單元等主要部分。在一些大型的賽事中，徑賽短跑項目都比較集中，所以一般配置3套電子起跑系統以滿足比賽的需要。本文主要分析了電子起跑系統的需求，設計了電子起跑系統的控制機柜、電子起跑器和發令單元，以及系統的軟件系統，并對系統進行了調試。

1 系統需求設計

圖1 電子起跑系統示意圖

設計電子起跑系統要求其能判別搶跑，如果發現搶跑的現象能自動報警，招回運動員，為了達到這個設計要求，要求該系統具有如下的技術指標，這個系統要和電動計時儀使用相同的發令傳感單元，要求能夠精確的測量每個跑道運動員的起跑時刻，其檢測速度要大于1000次/秒，檢測誤差小于1毫秒，要求能夠精確測量并打印每個跑道運動員的起跑腳蹬壓力的曲線，為仲裁提供依據，還可以對運動員的起跑技術進行分析，還要求能夠實現自動搶跑判決、無線發令等時同步，無線招回報警，含發令槍聲的傳輸系統，確保每個跑道的運動員同時聽到發令槍聲，還要求能夠直接聯網，調閱編排和檢錄信息，從而可以實現徑賽起點的無紙化操作，還要求能夠與田徑運動會信息管理系統直接相連聯網，和其它的設備、終端一起構成完整的運動會的網絡信息系統。

2 系統的硬件的整體設計

電子起跑系統包括控制機柜、電子起跑器、發令單元、發令麥克風和自動招回耳機，如圖1所示，根據電子起跑系統的設計，需要控制機柜 1套，實現搶跑的判別、發令輸入等功能，電子起跑器的個數根據跑道數目具體確定，一般需要10個，發令單元1套，主要包括由發令槍和電子發令傳感器構成，發令麥克風1個，自動招回耳機2個。

2.1控制機柜

控制機柜主要由微處理器即MCU、按鍵和數碼管組成，主要有LED數碼管的顯示、搶跑判別、音響的輸出、無線傳輸的功能。主控面板由防水薄膜按鍵和LED數碼管組成，防水薄膜的按鍵可以用來管理系統，LED管顯示當前的比賽狀態。MCU接收到發令槍聲傳感器的信號后，把這些信號發送到電子起跑器的揚聲器上，自動判別搶跑，如果存在搶跑的現象，就會在LED管上顯示出來，并自動報警，如果沒有搶跑現象發生，LED管也會顯示出來。

MCU采用AT89C2051，AT89C2051是美國ATMEL公司生產的一種低電壓、高性能CMOS 8位單片機， 2KB可以重復編程的FLASH存儲器和128KB RAM，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，15根I/O口，兩個16位定時器，一個五向量兩級中斷結構，一個全雙工串行口，AT89C2051單片機在電子類產品中有廣泛的應用。

2.2電子起跑器

電子起跑器由搶跑壓力傳感器、相應的擴音設備和燈光設備三部分組成。本系統中采用的搶跑壓力傳感器，搶跑壓力傳感器和等值電阻組成電橋，如果發生搶跑的現象，電橋就會失去原有的平衡，而起跑器的腳踏板上都有一個應變片，當有蹬力產生時，應變片會變形，并把這個信號放大傳輸到控制機柜，判別搶跑現象的發生；在電子起跑器的尾部都有揚聲器，輸出槍聲和報警的聲音；在電子起跑器的尾部還有熒光燈，和主控系統連接，輸出報警燈光。

搶跑壓力傳感器是由傳感器的電橋和條理電路構成的，傳感器電橋是由應變片和電阻組成的惠斯登電橋，并能夠采集起跑器的壓力變形信號，經過放大器放大信號，傳給信號的控制系統，判斷搶跑的結果，放大器采用LM324放大器。LM324放大器是一種低功率的四放大器，針腳數為14，有5個引出腳，電源電源最大為32V，最小為3V，短路保護輸出，最大100mA，輸入端有靜電保護的功能。

圖2 LM324應用電路圖設計

2.3發令單元

發令單元主要包括部件發令槍和電子發令傳感器以及相關部件擴音器、信號電纜等部分組成。電子發令傳感器接收到聲音信號后，經過放大電路，將聲音信號放大，要求傳感器具有高度的靈敏性，強大的抗干擾能力，有濾除雜波的功能，提高傳感器的可靠性，傳感器的靈敏度還要能夠適時調節。本系統采用ZY1730芯片，采用模擬處理的存儲方式，音頻數據不需要數字壓縮，直接存儲在固體存儲器中，可以消除常見的噪音，電路斷電后語音內容不會消失，可以保證數據的完整，錄音時間為240s，采樣頻率為6.4KHz，電壓范圍是2.4-5.5V，極限電壓為6V，靜態電流為0.5-1μA，工作電流為20mA。

3 系統軟件的設計

本系統的數據傳輸模塊采用RF4432PRO，RF4432PRO 是一款嵌入式工業級抗干擾的無線前端收發模塊。采用的是Silicon Lab Si4432 器件，這是一款高度集成的無線ISM 頻段收發芯片。極低的接收靈敏度（-121dBm）,再加上業界領先的 +20dBm 的輸出功率保證擴大范圍和提高鏈路性能。它的最大發射功率達到100mw，通訊視距可達1400米，標準的SPI接口通訊控制，具有體積小高集成抗干擾等優點，頻率范圍是403-898MHz，調制速率為0.123-256Kbps，接收電流18.5mA，發射電流85 mA，休眠電流小于1μA，調制模式為GFSK/FSK/OOK，廣泛應用于無線工業數據采集、遠程抄表、無線遙控等系統中。在數據傳輸之前首先要確定通信協議，協議中要明確規定什么時候開始通信，什么時候結束通信和交換信息，通信協議要充分考慮系統的穩定性，先確定通信狀態再確定串口的通信方式，軟件只是把要發送的數據從單片機傳輸到數據寄存器中和切換至發送工作模式。接受功能模塊的主要功能就是檢測載波信號，監測地址是否匹配、解碼數據包并接收，從接收到的時間繼續計時。

4 系統調試

在本系統研制成功之后，在使用之前要對其系統進行調試，并找出系統的錯誤，并及時的修改，系統調試主要包括程序調試、模塊的調試，系統調試一定要規范進行、用戶參加并發表意見、充分利用系統資源、遵循實用和實效的原則，調試時主要有可以用對的或錯誤的數據測試程序是否正確，對程序的數據傳輸能力和反應情況，系統內部、系統之間都要進行調試，在本系統中調試發令單元和主控機柜和電子起跑器之間能否正確傳輸數據，主控機柜能否正確顯示搶跑的情況和計時情況，這些數據能夠正確發送到主計算機上面，運動員也要參加調試，是否能夠同時聽到發令槍聲，除了軟件系統的調試，還包括硬件電路的調試如檢查電壓是否正常、系統的接口是不是正確，一些元件的發射信號等。

[1] 謝洪昌,羅江南.田徑短跑中電子起跑監測系統測量方法有效性的研究[J].廣州體育學院學報,2013,01:75-79.

[2] 龔淑雯.研究徑賽起點信號處理系統的開發[J].信息與電腦(理論版),2012,04:44-45.

[3] 沈煒.紹興職業技術學院體育成績管理系統的設計與實現[D].電子科技大學,2012.

李健兵，男，1971年3月10日，副教授，體育教學與訓練

Development of electronic starting system in track and field

Li Jianbing
(Shaanxi Vocational College of Finance and Economics,Xianyang,712000)

In the games,athletes jump phenomenon to complete manually,there may be some errors.In order to improve the fairness and accuracy of electronic games,starting system has been paid more and more attention.In China,electronic starting devices currently used in some large-scale events are bought from abroad,the price is expensive,not suitable for widely use.This paper designed the hardware system and software system of electronic starting system,and debug the system.

games;electronic starting system