長跑圈數(shù)自動計數(shù)電路系統(tǒng)

潘榮輝

由于學(xué)校面積有限，通常運動場跑道一圈只有250米，在長跑測試時經(jīng)常會搞錯圈數(shù)。因此學(xué)校開運動會時，必須設(shè)置專人一對一地記錄每位運動員跑的圈數(shù)相當(dāng)麻煩。于是我們經(jīng)過研究，設(shè)計并制作了一款簡易的長跑圈數(shù)自動計數(shù)電路系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)方便地記錄長跑圈數(shù)，我們設(shè)想了許多方案。

方案一：利用電子計算器

我們將計算器改裝，從數(shù)字按鍵后面引出兩根導(dǎo)線，再與一個開關(guān)連接起來，讓1-9每個數(shù)字分別對應(yīng)一位運動員。運動員每跑過一圈就按一次開關(guān)，裁判員可根據(jù)顯示屏上數(shù)字的多少來判斷此時運動員已跑的圈數(shù)。如數(shù)字2222表示2號運動員實際跑了4圈，而數(shù)字66666就說明6號運動員跑了5圈，以此類推。有幾位運動員就必須準(zhǔn)備幾個這樣經(jīng)過改裝的計算器。

但是，這個裝置也有缺陷。由于數(shù)字0不起作用，所以最多只能同時使用9個計算器。運動員可能一次輸入兩個數(shù)字，造成計數(shù)誤差。另外，用數(shù)數(shù)字個數(shù)的方式記錄圈數(shù)還是有點不方便。

方案二：利用手動機械計數(shù)器

后來我們通過查詢資料，發(fā)現(xiàn)了一款價格低廉的手動機械計數(shù)器。該計數(shù)器上有一個按鈕，每按一次，內(nèi)部的數(shù)字就會進(jìn)一位。該計數(shù)器是機械齒輪結(jié)構(gòu)，因而不會像電子計算器那樣出現(xiàn)誤操作。但由于是機械彈性按鈕，按壓時需要非常用力，所以我們設(shè)想將按鈕變大、變長，從而讓運動員按起來更方便、省力。

上面兩種方案都需要運動員自己去按按鈕。但這樣的話，運動員又兼任了裁判員，既不合規(guī)，又可能影響成績。于是，我們想到了電子計數(shù)器。

方案三：利用信號傳輸式電子計數(shù)器

受遙控電動大門的啟發(fā)，我們設(shè)想利用無線數(shù)字信號傳輸和接收系統(tǒng)來實現(xiàn)計數(shù)。該系統(tǒng)包括無線信號發(fā)射器和無線信號接收顯示器兩部分。

無線信號發(fā)射器置于運動員身上，不斷向外發(fā)射含有編碼的無線信號。無線接收器可放置在終點記錄臺上，并設(shè)置它只能接收到一定距離內(nèi)（例如半徑10米內(nèi)）的信號。當(dāng)攜帶發(fā)射器的運動員進(jìn)入接收器范圍內(nèi)時，含有相同編碼的接收器就會收到信號，其內(nèi)部的計數(shù)器便進(jìn)位計數(shù)。不同組的發(fā)射器和接收器，須設(shè)置不同的編碼以避免相互干擾。

這個方案采用了自動化設(shè)備，只要電路設(shè)計得當(dāng)，其計數(shù)結(jié)果應(yīng)該是可靠的。于是，我們選擇了該方案來試制。

材料：

通用無線信號315MHz（或433MHz）發(fā)射和接收模塊各1個，PT2262編碼集成電路1個，PT2272解碼集成電路1個，數(shù)字集成電路CD4013、CD4510、CD4511各1個，數(shù)碼顯示管1只，實驗線路板2塊，其它小元件若干。

制作無線信號發(fā)射器

將無線信號發(fā)射模塊、PT2262編碼集成電路、1.5M電阻按照電路圖所示焊接起來，接通3V以上電源即可工作。A0-A7為地址端，適當(dāng)接電源正（高電平）或負(fù)（低電平）以產(chǎn)生不同編碼。D0-D3為數(shù)據(jù)端，空置即可。

制作無線信號接收顯示器

1、制作無線接收與解碼電路

該電路由無線信號接收模塊、PT2272編碼集成電路、270K電阻和信號指示發(fā)光二極管（串聯(lián)一個1K電阻）共同組成。PT2272的地址端也是A0-A7，其接電源正負(fù)必須與PT2262保持一致，這樣才能保證解碼有效，使17腳有脈沖信號輸出。該信號輸出到下一級脈沖信號延時電路。

2、制作脈沖信號延時電路

該電路核心元件是雙D觸發(fā)器CD4013，與一個5M可變電阻、1個三極管、1個4.7K電阻、1個10μF電容，共同組成延時電路。調(diào)節(jié)可變電阻即可改變延時時間，經(jīng)延時的脈沖信號最終輸出到計數(shù)電路。

3、制作計數(shù)電路

此電路由計數(shù)器CD4510來完成。外圍元件只需一個1K電阻和一個用于清零的開關(guān)。其工作原理為：電路清零后，當(dāng)其得到一個延時脈沖信號時，計數(shù)器便會執(zhí)行加計數(shù)，輸出端Q1-Q4的數(shù)據(jù)變?yōu)?001，再接收一個信號它就變成0010，依次類推。然后，它將數(shù)據(jù)輸送給數(shù)碼驅(qū)動電路。

4、制作數(shù)碼驅(qū)動電路

該電路使用了譯碼驅(qū)動器CD4511。外部元件僅需7個用于限流的1K電阻，將他們與數(shù)碼顯示管對應(yīng)的筆畫端連接起來，即可正常顯示數(shù)字。如，當(dāng)來自計數(shù)電路CD4510的輸入信號數(shù)據(jù)為0010時，經(jīng)CD4511內(nèi)部譯碼后使相應(yīng)的筆段為高電平，然后驅(qū)動顯示部件發(fā)光而顯示對應(yīng)的數(shù)字2。

制作完成后，我們將整個系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果信號傳輸效果很好，裝置反應(yīng)也非常靈敏。不過接收距離超過了20米以上，不符合我們的要求。于是，我們將接收器的電壓降至4.5V，接收距離也隨之減少至10米以內(nèi)。

當(dāng)然，發(fā)射器的電壓也不能太高，否則也會增大發(fā)射距離，一般選擇在3V～4.5V之間為宜。為了減輕運動員的負(fù)載，也可以選用紐扣電池。