運動(dòng)員(聽(tīng)覺(jué))神經(jīng)-運動(dòng)反應時(shí)的測量系統

　　本文實(shí)現了一個(gè)測量運動(dòng)員(聽(tīng)覺(jué))神經(jīng)-運動(dòng)反應時(shí)的系統，以提高運動(dòng)員聽(tīng)到發(fā)令槍后的起跑速度。該系統是通過(guò)聲音傳感器和加速度傳感器檢測運動(dòng)員聽(tīng)到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，即運動(dòng)員的神經(jīng)-運動(dòng)反應時(shí)，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊將數據傳送到PC機進(jìn)行顯示，并可根據反應時(shí)記錄進(jìn)行處理和繪制成反應時(shí)曲線(xiàn)，能夠直觀(guān)地了解運動(dòng)員反應時(shí)的變化及趨勢。

　　系統結構及其原理

　　系統結構

　　本系統主要實(shí)現(聽(tīng)覺(jué))神經(jīng)-運動(dòng)反應時(shí)的測定。方法是通過(guò)聲音傳感器檢測發(fā)令槍的聲音，用加速度傳感器檢測運動(dòng)員起跑的時(shí)刻，記錄運動(dòng)員聽(tīng)到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊將數據傳送到基站進(jìn)行記錄和處理。系統由反應時(shí)測定模塊、通信模塊、數據記錄處理模塊三部分組成，結構如圖1所示。

　　圖1系統結構框圖

　　反應時(shí)測定模塊用單片機作為核心部件，加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測電路，通過(guò)單片機的內部計數器記錄運動(dòng)員的起跑反應時(shí)，并將記錄的數據按照一定的格式編碼，通過(guò)串口送至無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，實(shí)現與PC機的無(wú)線(xiàn)通信。

　　通信模塊主要用PTR2000無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的傳輸。

　　數據記錄處理模塊通過(guò)串行通信的方式接收無(wú)線(xiàn)數傳模塊傳輸的數據，并送到由PC機構成的基站進(jìn)行記錄、處理和顯示。

　　系統設計基本原理

　　測量準備和系統自檢

　　系統在反應時(shí)測量模塊上設置了一個(gè)按鈕，在每次測量前，按此按鈕啟動(dòng)系統自檢，通過(guò)單片機檢查與之相連的各個(gè)部件，如存儲器、加速度傳感器、聲音傳感器等的狀態(tài)，以及無(wú)線(xiàn)通信系統能否正常工作。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳送模塊，將檢測到的各個(gè)部件的狀態(tài)發(fā)送到接收端，若接收端接收到正常的信號，則記錄端可以通知開(kāi)始測量;若接收不到，則必須檢查、調試，或者更換測量系統，直到接收端接收到正常的信號方可開(kāi)始測量。

　　數據采集

　　在系統自檢完成之后，如果各個(gè)部件工作正常，就可以開(kāi)始測量反應時(shí)。聲音傳感器檢測到發(fā)令槍的聲音信號后，計數器開(kāi)始計數，并查詢(xún)加速度傳感器的信號，在檢測到加速度傳感器信號后停止計數，并將計數值保存在發(fā)送緩沖區，數據采集過(guò)程結束。

　　數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收

　　在單片機數據采集完成之后，即開(kāi)始數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送。在發(fā)送之前，對采集的數據按照無(wú)線(xiàn)數傳模塊的要求進(jìn)行編碼，然后將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊按照從高位到低位的順序進(jìn)行發(fā)送。在無(wú)線(xiàn)接收端，把接收到的數據通過(guò)電平轉換和RS-232串行接口送至PC機進(jìn)行處理和顯示。

　　數據的處理和顯示

　　由PC機構成的基站從RS-232串行接口接收到數據后，通過(guò)運動(dòng)員起跑反應時(shí)處理軟件對數據進(jìn)行處理、存儲、顯示和分析。

　　系統硬件設計

　　從硬件角度看，系統可以分成單片機模塊、聲音檢測模塊、運動(dòng)檢測模塊和無(wú)線(xiàn)數傳模塊等幾部分。

　　單片機模塊

　　在本系統中，考慮到反應時(shí)測量裝置是安裝在運動(dòng)員小腿上，對輸入輸出口的數量需求不多，因此在選擇單片機時(shí)，應選擇體積小、功耗小的作為系統前端數據測量的核心部件，本系統采用的是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機AT89C2051。

　　聲音檢測模塊

　　聲音檢測是本系統設計中的一個(gè)關(guān)鍵部分，要求具有較好的靈敏度和抗干擾能力。

　　駐極體傳聲器是一種微型聲電轉換器，這種傳聲器具有靈敏度高、頻率響應范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)。在本系統中選用駐極體話(huà)筒作為聲音檢測部分的聲音傳感器，用其將聲音信號變換成電信號。

　　聲音檢測模塊設計的難點(diǎn)和重點(diǎn)是濾除噪音信號。在此模塊的設計過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數。本系統采取幅度比較法實(shí)現聲音檢測的功能。因為發(fā)令槍的聲音信號一般幅度較大，可以直接進(jìn)行放大，通過(guò)比較器與閾值電壓相比，當聲音信號大于一定幅度時(shí)產(chǎn)生翻轉信號。主要考慮的問(wèn)題是如何對駐極體話(huà)筒檢測到的微弱信號進(jìn)行放大處理。在本系統中采用三極管9013構成單級放大電路對信號進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗發(fā)現，輸出電壓大于4V時(shí)，聲音信號振動(dòng)幅度較大。再加上比較電路就構成了本系統的聲音檢測電路，如圖2所示。在此電路中，用R5和R6分壓電路產(chǎn)生一個(gè)閾值電壓，在實(shí)際設計中設置為4V。電壓比較器LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號自檢電壓，若聲音檢測無(wú)故障，應輸出高電平;OUT1作為聲音檢測信號輸出腳與單片機P1.2口相連，當發(fā)令槍響起時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號。

　　圖2 聲音檢測電路