CN108939510B - 折返跑测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

折返跑测试系统，该系统包括主机和多个从机；多个从机串联在一起连接，第一个从机连接主机，最后一个从机重新连接至主机。本设备在计时精度、视觉提醒、声音提示等方面有了突破和较大优越性，在折返跑应用日益普遍的趋势下，智能折返跑测试仪器A对此体测项目的推动普及将发挥其应有的的积极作用，甚至在相关标准的制定层面亦会发挥必要指导性功能。如今，在国家大力号召全民健身的大环境下，我们的产品将拥有广阔的市场前景。

Description

折返跑测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种折返跑测试系统及测试方法。

背景技术

折返跑是由起跑、加速、急停（触标志物）、急起（折回）等环节组成的运动项目，它在训练测试者在短距离内肌肉耐力和爆发力方面有着显著的训练效果。经过几个月的调查，折返跑现已被众多高校列入体能测试和体能考察范围，但由于其测试方法的众多制约因素，要想实现准确测量是很难实现的。例如在学生的折返跑测试中，学生为了尽快完成考试，有些同学在没有跑到折返线时就已经折返，这大大影响了成绩的真实性，同时由于人力资源因素影响了测试结果的可靠性。目前，很多职业运动队也采取折返跑来训练队员的心肺耐力和体能，但市面现有的折返跑测试仪器功能较为单一，仅有计时、计次和信息录入汇总等基本的功能。不具备提醒测试者的信号提示及监督等功能，更无法对违规行为进行警报提示和灯光提示，而且大部分现有设备本身线路冗杂繁复，仅能局限于短距离的训练（如篮球五米三项折返训练），这种只能应用在小范围场地的仪器显然不能满足大部分运动队的需求。此项研究开发将会解决仪器应用范围和场地限制的问题。

发明内容

发明目的：

本发明提出一种折返跑测试系统及测试方法，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

折返跑测试系统，其特征在于：该系统包括主机和多个从机；多个从机串联在一起连接，第一个从机连接主机，最后一个从机重新连接至主机。

主机包括微控制单位（MCU）、液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至微控制单位（MCU）；

从机包括微控制单位（MCU）、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至微控制单位（MCU）；

主机的通讯模块连接至第一个从机的通讯模块，第二个从机的通讯模块连接至第三个从机的通讯模块，以此类推，最后一个从机的通讯模块连接至主机的通讯模块。

主机和从机均设置在上底板4上，上底板4通过支撑杆5设置在底座6上。

利用上述的折返跑测试系统所实施的折返跑测试方法，其特征在于：（1）先将仪器搬到测试场地，沿每隔十米的距离放好；所有器械应该成直线放好；

（2）按下主机状态开关，使主机从待机状态变成工作状态；

（3）按照裁判员口令开跑，依次进行10米，20米，30米，40米的折返跑，每次跑到一个器械听到声音或灯泡亮起才能折返；

（4）跑完后成绩会自动被主机记录。

主机与第一从机互传信息时，其他从机处于待机状态，当第一从机工作结束时会给第二从机发射信号，让第二从机切换至工作状态, 第一从机恢复待机状态，依次类推;到最后一个从机结束时该从机会给主机发射信号，让主机进行最后检测并记录最终数据。

主机的程序由无线传输，液晶显示，激光触发，灯光指示，声音提示，按键控制这六部分子程序组成，每个子程序都可以单独实现某一功能，仪器各功能是主函数对各部分子程序调用实现的；

当使用者按下主机上的开关后，系统开始工作。第一从机工作，指示灯变绿，处于工作状态，而其他从机的指示灯依旧是红色，处于待机状态；测试者便可从指示灯的颜色判断要到达那一个从机才能返回；当测试者到达第一从机时，会触发激光感应，激光接收模块将信息传递至主机，主机会控制音频处理模块使得喇叭响起，提示测试者开始向起点方向奔跑，第一从机向第二从机发出指示提示切换至工作状态，依此类推；当测试结束时，led屏上显示测试者的测试时间。

一开始检验按键是否按下，当按键对应的IO口的电平发生变化时，执行下一步，初始化无线通信所用的硬件，向第一从机发送指令，第一从机从待机状态进入工作状态，指示灯颜色变化，接着运行一个循环体，检测主机上激光触发器输出电平的变化，当激光触发器被触发时，启动定时器来计时间，同时跳出此循环，等待外部中断的触发；当受测者到达第一从机的时候，第一从机上的激光触发器输出电平改变，第一从机的微控制单位执行的循环体里的内容被执行，控制喇叭的继电器开关闭合，喇叭响起，用delay函数持续一小段时间，然后通过无线通信让第二从机进入工作状态，第一从机待机，依此类推,当最后一个从机进入工作模式并被触发后，向主机返回一个1，当主机的激光触发器电平发生变化且最后一个从机返回的值是1的时候，触发外部中断，定时器计时，并将这个时间显示到led屏幕上。

优点效果：

该系统为（距离递增）折返跑测试系统，是基于学生折返跑测试开发的一套系统。该系统由一个主机与四个从机组成，主要采用自动计时、无线通信、激光扫描、声光提示等技术手段。这套系统所有的功能都是源于实际测试，如人工计时最小时间误差在20ms，而自动计时最大误差在100us,因此自动计时减小了计时误差提高了计时准确性；再如声光技术，不仅方便教师监考也能提示同学折返跑的位置。这套系统的开发能解决折返跑测试的多种问题，辅助体测教师为测试提供了统一标准，为测试公正性提供了保障，同时也到达了仪器服务于人的本质要求。

项目设计的灵感来源于我们的大学体育测试（文中所有阐述都是从体育测试中总结出来的），当在进行递增折返跑测试时，由于不固定的折返线较多，测试者往往会由于频繁急剧的做加速和减速运动，导致大量体力消耗使测试者无法明确下一个折返线，因此使其测试成绩受到影响。同时有些同学为缩短测试时间会刻意采取违规行为（脚未触及折返线就返回），加之监测人员数量有限，无法保证在每个折返线都有人员监督，所以测试的公平性得不到有效保障。基于测试中存在的问题，我们打算采用针对性方法一一解决。

这套设备的推广将会在全国大范围受益。首先，科学技术发明服务于人类，因此这套设备的推广可以解决困扰体测老师的问题；其次，这套设备价格低廉会被广泛接受，进而推动全国的测试仪普及，提高了数据可靠性，易建数据库推动云数据的发展；这套系统的诞生为国家体育装备事业前进一小步，同时也为国家科学技术的发展添彩。

本设备在计时精度、视觉提醒、声音提示等方面有了突破和较大优越性，在折返跑应用日益普遍的趋势下，智能折返跑测试仪器A对此体测项目的推动普及将发挥其应有的的积极作用，甚至在相关标准的制定层面亦会发挥必要指导性功能。如今，在国家大力号召全民健身的大环境下，我们的产品将拥有广阔的市场前景。

附图说明

图1整体结构图；

图2原理图；

图3软件设计图；

图4系统流程图;

图5具体从机程序结构图；

图6各部分子程序的控制流程图；

图7主机结构图；

图8从机结构图。

具体实施方式

折返跑测试系统，该系统包括主机和多个从机；多个从机串联在一起连接，第一个从机连接主机，最后一个从机重新连接至主机。

主机包括微控制单位（MCU）、液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至控制单位（MCU）；

从机包括微控制单位（MCU）、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至微控制单位（MCU）；

主机的通讯模块连接至第一个从机的通讯模块，第二个从机的通讯模块连接至第三个从机的通讯模块，以此类推，最后一个从机的通讯模块连接至主机的通讯模块。

主机和从机均设置在上底板4上，上底板4通过支撑杆5设置在底座6上。

主要技术指标

（1）产品外壳设计

本产品主机部分整体高约1.3米，长约0.3米，宽约0.2米，产品的底座及支撑杆采用铝合金材质，使其在室外复杂的环境中具有良好的耐腐蚀和抗冲击能力，底座进行适当部分切除增加仪器的稳定性，支撑柱体采用空心材料大大减轻了产品的重量，为产品便捷搬运提供了必要条件。其中，底座、支撑杆、上底板都可以拆卸，使每个部件都可以简单组装。容纳单片机等控制元件的壳体则采用聚碳酸酯，其在耐热，抗冲击，阻燃等方面拥有着良好的机械性能，保证了性能要求的同时也降低了成本。

（2）基本工作原理

本系统的控制部分由多个从机和一个主机组成。主机是本套测试系统的起始端与终止端。在这套系统中，主机相当于大脑不仅要检测外围器件的工作状态，还要兼顾与从机间的通讯和单片机内部数据计算。主机与从机1互传信息时，其他从机处于待机状态，当从机1工作结束时会给从机2发射信号，让从机2切换至工作状态从机1恢复待机状态，依次类推。到从机4结束时该从机会给主机发射信号，让主机进行最后检测并记录最终数据。因此，主机是这套系统的核心。主机的所有工作都由单片机完成，所以程序才是保障各仪器正常工作的关键。

主机的程序由无线传输，液晶显示，激光触发，灯光指示，声音提示，按键控制这六部分子程序组成，每个子程序都可以单独实现某一功能，仪器各功能是主函数对各部分子程序调用实现的。

当使用者按下主机上的开关后，系统开始工作。从机1工作，指示灯变绿（工作状态），而其他从机的指示灯依旧是红色（待机状态）。测试者便可从指示灯的颜色判断要到达那一个从机才可以返回。当测试者到达从机1时，会触发激光感应，这时喇叭会响起，提示测试者开始向起点方向奔跑，从机1向从机2发出指示提示切换至工作状态（绿灯），依此类推。当测试结束时，led屏上显示测试者的测试时间。如图2所示。

）硬件组成

每个从机有指示灯和解调接受管，调制发射管，NRF24L01 2.4G无线通信模块，LM386 音频放大器模块和相应的小喇叭，51单片机模块，而主机和从机相比多了外接按键和led液晶显示屏。为主机和从机的供电部分是MP1584EN降压模块，采用3.7V的18650锂电池，降压模块将两个18650电池串联产生的7.4v电压降为5v，为各个模块供电。

）软件设计如图3；

本系统的程序用c语言编写，使用的单片机为STC系列单片机。主要的工作如计时、显示、通讯等，每个从机工作状态由主机控制，主机和从机间的通信都由主机来承担，而从机则负责激光接收管接受到激发触发，返回电平发生变化控制灯光变化和扬声器发声。如图4所示；

程序流程图如图。在此程序的主函数中，一开始检验按键是否按下，当按键对应的IO口的电平发生变化时，执行下一步，初始化无线通信所用的硬件，向从机1发送指令，从机1从待机状态进入工作状态，指示灯颜色变化，接着运行一个循环体，检测主机上激光触发器输出电平的变化，当激光触发器被触发时，启动定时器来计时间，同时跳出此循环，等待外部中断的触发。当受测者到达从机1的时候，从机1上的激光触发器输出电平改变，从机1的单片机执行的循环体里的内容被执行，控制喇叭的继电器开关闭合，喇叭响起，用delay函数持续一小段时间，然后通过无线通信让从机2进入工作状态，从机1待机，依此类推,当从机4进入工作模式并被触发后，向主机返回一个1，当主机的激光触发器电平发生变化且从机4返回的值是1的时候，触发外部中断，定时器计时，并将这个时间显示到led屏幕上。

对于折返跑来说，判断测试者是否准确跑到折返线，我们也需要一台仪器检测，因此从机是配合主机完成精确检测的重要保障。比如当主机发出指令开始检测时，从机接收到主机控制信号后会在某一折返线处启动光控检测装置，只有当测试者到达目标位置被从机检测到则表示测试者准确到达折返线，否则反之。

在从机系统中最主要的就是信息传输和光控检测。从机共有4台每个主机地址一样，其他的子程序均一样。为了实现测量时间准确的目的，主机通过调用不同地址从机的子函数来实现对相应地址从机的控制。具体从机程序结构图如下：

如图5所示，从机程序主要由以上4个子程序构成。各部分子程序的控制都有主函数控制，具体程序工作流程如图6：

使用说明：

（1）先将仪器搬到测试场地，沿每隔十米的距离放好。（5个器械应该成直线放好。）

（2）按下主机状态开关，使主机从待机状态变成工作状态。

（3）按照裁判员口令开跑，依次进行10米，20米，30米，40米的折返跑，每次跑到一个器械听到声音或灯泡亮起才能折返。

（4）跑完后成绩会自动被主机记录。

距离递增折返跑智能测试系统的优势：

产品特点：

（1）公正性。在没有仪器测量的时候，一般是老师发出起跑口令，然后同学自己跑。然而在跑的过程中，学生会出现忘记折返线或者是学生故意不踩线提前折返的现象，这些现象都严重影响了测试结果。这个仪器通过声音和灯光的结合，告知测试者折返线的同时也杜绝了人为违规现象，体现了产品的公正性。

（2）便捷性。现在市场上的此类产品大多十分沉重，而且需要电源的连接不便于携带，而且也对测量场地提出了要求（场地要有电源插口）。我们设计的此产品结构小轻便，而且自带电源，不用电线连接，在减少电线的同时提高了场地的适用性。

（3）精准性。本设备有自动计时的功能，即测试者起步离开起跑线时，触发计时开关仪器自动开始计时，当测试者完成折返跑项目回到终点踩上起跑线时计时终止。自动计时功能是由仪器自动检测测试者的起跑触发的，提高了测量精度，减小了人工计时所带来的误差，达到计时准确的目的。

技术关键：

1）模块连接方式：

主机如图6；

液晶显示屏幕：显示计时时间

激光接收模块：作为光控触发开关使用

LM386音频处理模块：驱动扬声器作为声音提示

NRF24L01通讯模块：主机与各从机联系方式

1路继电器模块：控制灯光指示

从机如图7；

激光接收模块：作为光控触发开关使用

LM386音频处理模块：驱动扬声器作为声音提示

NRF24L01通讯模块：从机与主机和从机与从机的联系方式

单片机电路图如图8；

1路继电器模块：控制灯光指示，且可以观测从机状态（红灯表示待机状态，绿灯表示工作状态）

模块技术参数

（一）一路继电器模块带光耦隔离模块采用优质继电器，常开接口最大负载：交流250V/10A，直流30V/10A;

1、采用贴片光耦隔离，驱动能力强，性能稳定；触发电流5mA；

2、模块工作电压有5V、9、12V、24V可供选择；（四种电压各为不同链接哦）

3、模块可以通过跳线设置高电平或低电平触发；

4、容错设计，即使控制线断，继电器也不会动作；

5、电源指示灯（绿色），继电器状态指示灯（红色）

6、接口设计人性化，所有接口均可通过接线端子直接连线引出，非常方便

7、模块尺寸：50mm * 26mm* 18.5mm（长*宽*高)

8、设有4个固定螺栓孔，孔3.1mm，间距44.5mm*20.5mm

9.跳线与LOW短接时为低电平触发;10.跳线与high短接时为高电平触发。

模块接口

1、DC+：接电源正极（电压按继电器要求，有5V.9V.12V和24V选择）

2、DC-：接电源负极

3、IN：可以高或低电平控制继电器吸合

继电器输出端：

1、NO：继电器常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与COM短接

2、COM：继电器公用接口

3、NC：继电器常闭接口，继电器吸合前与COM短接，吸合后悬

（二）MP1584EN降压模块

模块参数

输入电压	4.5V~28V
		输出电压	0.8V~20V
输出电流	3A（最大）
		转换效率	92%（最高）
输出纹波	<30mV
		开关频率	1.5MHz（最高），典型1MHz
工作温度	-45℃~ +85℃
		尺寸大小	22mm * 17mm * 4mm（长*宽*高）

（三）LM386 音频放大模块

1.板载LM386芯片

2.200倍增益电路设计

3.板载喇叭接线座

4.板载10k可调电阻，可以调节放大的音量

5.板载电源指示灯

6.芯片的主要引脚已经输出，可以直接输入音频信号

7.工作电压5V到12V

8.板子尺寸41（mm）*13（mm）

（四）激光接受管，激光调制管

1.180KHZ~250KHZ频率 飞思卡尔智能车数字激光接收器专用

2.对射距离30米以上 抗干扰能力强-可室外使用

注：光照时输出低电平，遮光输出高电平！

（五）NRF24L01+无线模块 SI24R1 2.4G无线收发模块；

1.2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用

2.低工作电压 1.9到3.6V

3.高速：2Mbps，由于空中传输时间短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象

4.多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要。

5.超小型：内置2.4Ghz天线，体积小巧，15*29mm

6.低功耗：当工作在应答模式通信时快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。

技术创新与先进性：

1.采用了无线通信模块NRF24L01

NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如自动重发丢失的数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机IO口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机，降低了产品的生产成本。现有产品以有线传输为主，大量的传输线路不仅限制传输距离（15米）且对导线材料要求很高同时提高了成本。此外，无线通信也使得本产品更加便携易于使用，适合长远距离的传输（250米），这个优势是有线连接所不能比拟的。

激光检测精准

使用的红外线产品对射距离达到30米以上 ，抗干扰能力很强，可室外使用，满足在室内室外等多种客户的使用环境，使得本产品有更大的推广空间。

单片机程序简单，成本低

51单片机结构简单，价格低廉，使用51单片机有助于降低产品的制造成本，世面上有许多型号的单片机，如stm32，ACR，microchip,我们选择的51单片机价格较其他型号较便宜且使用范围广，符合我们的需求是正确的选择。

距离递增折返跑智能测试系统的前景展望：

对学校，军队，运动队等各种机构对个人进行体质监测

1）初高中，高校：学校每年都有体检测试的任务。折返跑就是其中非常重要的一项。此仪器可以减少体育老师的工作量，提高数据的准确性。

2）军队：在富国强兵改革推动下，国家对官兵体能要求越来越严格，检测越来越频繁，检查方式也越来越多样化，折返跑就是其中一项检测项目。由于军队人数众多，用人检测会消耗很大的人力物力和财力，而此设备的投入使用会大大节省很多成本。例如一个人可以操作多套这种测试仪器，因此本设备投入市场将会有很大的市场前景。此设备工作方式为自动计时，并且会将测试数据自动上传到大数据库，可以避免人为修改因素使数据真实性得以保证，同时减少了相关工作人员的工作量。

3）运动队：运动队招生需要各种测试数据，看运动员是否适合这项运动。举个例子，一个足球队招募球员，通过这个仪器就可以测量出此运动员在各个折返跑过程中的速度，加速度，以便于了解其适合踢哪个位置。

Claims (6)

1.折返跑测试方法，其特征在于：该方法利用如下折返跑测试系统实施，

该系统应用于为距离递增折返跑测试，该系统包括主机和多个从机；多个从机串联在一起连接，第一个从机连接主机，最后一个从机重新连接至主机；

该方法步骤如下：

（1）先将仪器搬到测试场地，沿每隔十米的距离放好；所有器械应该成直线放好；

（2）按下主机状态开关，使主机从待机状态变成工作状态；

（3）按照裁判员口令开跑，依次进行距离递增折返跑，每次跑到一个器械听到声音或灯泡亮起才能折返；

（4）跑完后成绩会被主机记录；

主机与第一从机互传信息时，其他从机处于待机状态，当第一从机工作结束时会给第二从机发射信号，让第二从机切换至工作状态, 第一从机恢复待机状态，依次类推；到最后一个从机结束时该从机会给主机发射信号，让主机进行最后检测并记录最终数据。

2.根据权利要求1所述的折返跑测试方法，其特征在于：（3）步骤中的距离递增折返跑为10米，20米，30米，40米的折返跑。

3.根据权利要求1所述的折返跑测试方法，其特征在于：所述

主机包括微控制单位（MCU）、液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；液晶显示屏幕、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至微控制单位（MCU）；

从机包括微控制单位（MCU）、激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块；激光接收模块、音频处理模块、通讯模块和继电器模块均连接至微控制单位（MCU）；

主机的通讯模块连接至第一个从机的通讯模块，第二个从机的通讯模块连接至第三个从机的通讯模块，以此类推，最后一个从机的通讯模块连接至主机的通讯模块。

4.根据权利要求1所述的折返跑测试方法，其特征在于：

主机和从机均设置在上底板（4）上，上底板（4）通过支撑杆（5）设置在底座（6）上。

5.根据权利要求1所述的折返跑测试方法，其特征在于：主机的程序由无线传输，液晶显示，激光触发，灯光指示，声音提示，按键控制这六部分子程序组成，每个子程序都可以单独实现某一功能，仪器各功能是主函数对各部分子程序调用实现的；

当使用者按下主机上的开关后，系统开始工作；第一从机工作，指示灯变绿，处于工作状态，而其他从机的指示灯依旧是红色，处于待机状态；测试者便可从指示灯的颜色判断要到达那一个从机才能返回；当测试者到达第一从机时，会触发激光感应，激光接收模块将信息传递至主机，主机会控制音频处理模块使得喇叭响起，提示测试者开始向起点方向奔跑，第一从机向第二从机发出指示提示切换至工作状态，依此类推；当测试结束时，led屏上显示测试者的测试时间。

6.根据权利要求5所述的折返跑测试方法，其特征在于：一开始检验按键是否按下，当按键对应的IO口的电平发生变化时，执行下一步，初始化无线通信所用的硬件，向第一从机发送指令，第一从机从待机状态进入工作状态，指示灯颜色变化，接着运行一个循环体，检测主机上激光触发器输出电平的变化，当激光触发器被触发时，启动定时器来计时间，同时跳出此循环，等待外部中断的触发；当受测者到达第一从机的时候，第一从机上的激光触发器输出电平改变，第一从机的微控制单位执行的循环体里的内容被执行，控制喇叭的继电器开关闭合，喇叭响起，用delay函数持续一小段时间，然后通过无线通信让第二从机进入工作状态，第一从机待机，依此类推,当最后一个从机进入工作模式并被触发后，向主机返回一个1，当主机的激光触发器电平发生变化且最后一个从机返回的值是1的时候，触发外部中断，定时器计时，并将这个时间显示到led屏幕上。

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