基于Arduino 的徑賽電子計時系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，學校常規(guī)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(tǒng)的計時方式都是體育老師或者是聘請的專業(yè)裁判由人工手動操作完成。計時員裁判員有時依據發(fā)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(xiàn)有的徑賽電子計時系統(tǒng)是在起點處安裝發(fā)令器，發(fā)令器啟動后，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)性非常高的工作，對于非專業(yè)人士來說本系統(tǒng)不要求使用者掌握專業(yè)裁判的知識就可以使用該系統(tǒng)。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(tǒng)應用于徑賽場地上，所以要保證設計結構的安全、避免系統(tǒng)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(tǒng)應用環(huán)境的分析，該系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)運行后，當運動員終點時，系統(tǒng)就會依據之前已經錄入到系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)

Arduino 是全球最流行的開源硬件及硬件開發(fā)平臺。Arduino 的種種優(yōu)勢，越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者已經或開始使用Arduino 來開發(fā)他們的項目、產品；大學里，自動化、軟件，甚至藝術專業(yè)，也紛紛開展了Arduino 相關課程。本設計就是體育院校開展創(chuàng)客教育學習過程中設計出的創(chuàng)意產品。本系統(tǒng)以Arduino UNO 作為整個系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)所需的輸入輸出I/0 口數(shù)量要求。

3.1 系統(tǒng)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(fā)令”按鈕，通過語音模塊播放發(fā)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(tǒng)會錯誤記錄許多中間數(shù)據，所以本系統(tǒng)會依據優(yōu)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(fā)紅外對射模塊，將此時的時間寫入系統(tǒng)；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(tǒng)的第一和第二步可以跳過，直接點擊“發(fā)令”按鈕，系統(tǒng)會默認之前的設定的模式。

3.2 系統(tǒng)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(tǒng)的硬件設計框圖如圖2 所示，下面具體介紹系統(tǒng)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(tǒng)中使用時，系統(tǒng)啟動時分和秒的數(shù)值被初始化為零，計時系統(tǒng)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(xiàn)循環(huán)播放、點動播放、單遍播放功能。該模塊在本系統(tǒng)中通過錄音功能錄制發(fā)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(tǒng)的應用場景的需要，系統(tǒng)選用ABO-20 紅外對射單數(shù)光紅外對射戶外感應器模塊實現(xiàn)。該模塊探測距離為20 米，工作電壓為12-24V, 供電電流>50mA，觸發(fā)時間50ms。該模塊在系統(tǒng)的控制下在規(guī)定的時間啟動，系統(tǒng)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(tǒng)過繼電器激活紅外對射模塊外部供電系統(tǒng)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(shù)據的情況。

圖2 硬件設計框圖

4 軟件的設計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

本系統(tǒng)主要基于當下最普及的window 10 操作系統(tǒng)為系統(tǒng)運行環(huán)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(shù)組的使用

系統(tǒng)中通過旋轉電位器和確定按鈕設置系統(tǒng)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(shù)組進行記錄，為了便于計算，系統(tǒng)將所有的評分標準統(tǒng)一換算成以秒為基礎單位記錄的數(shù)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(tǒng)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(tǒng)將運動員的成績同評分表中的數(shù)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(tǒng)，極大的縮減了電子計時系統(tǒng)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(xiàn)有電子計時系統(tǒng)的特點，結合該系統(tǒng)的日常應用環(huán)境的使用，系統(tǒng)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(xiàn)多種模式的應用。通過實際應用測試，系統(tǒng)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(huán)節(jié)。