高赫辰

在跳遠(yuǎn)比賽中，裁判員要經(jīng)常檢查起跳板的沙臺(tái)或橡皮泥是否留下踩踏痕跡，以此來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)員起跳是否犯規(guī)。若運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)，進(jìn)行下一輪比賽前，裁判員要將沙臺(tái)恢復(fù)平整或更換橡皮泥。這些工作繁瑣且費(fèi)時(shí)。

為解決上述問(wèn)題，我設(shè)計(jì)了一種多傳感器復(fù)合式跳遠(yuǎn)起跳犯規(guī)提示裝置。

一、跳遠(yuǎn)起跳犯規(guī)的相關(guān)規(guī)定

跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)從1886年開(kāi)始啟用起跳板。它為白色，埋入地下，與地面齊平，長(zhǎng)122cm，寬20cm，厚10cm。起跳板靠近落地區(qū)的邊沿被稱為起跳線。起跳線與落地區(qū)近端距離為1m至3m，與落地區(qū)遠(yuǎn)端距離至少為10m。

運(yùn)動(dòng)員必須在起跳線后方起跳。為了便于判定運(yùn)動(dòng)員是否犯規(guī)，在起跳線前設(shè)置橡皮泥顯示板，它被安裝在起跳線靠近沙坑一側(cè)的凹槽處，或制作成一塊隔板與起跳板形成一體。橡皮泥顯示板長(zhǎng)122cm，寬10cm，水平高度超出起跳板0.7cm，靠近起跳線邊沿應(yīng)向助跑方向傾斜形成45°斜面，并在斜面上覆蓋0.1cm厚的橡皮泥。

根據(jù)規(guī)則，運(yùn)動(dòng)員必須在起跳線后方起跳。對(duì)于不易判罰的犯規(guī)，裁判員通常以橡皮泥上的痕跡作為判斷是否犯規(guī)的主要依據(jù)。同時(shí)，高級(jí)別的跳遠(yuǎn)比賽中，運(yùn)動(dòng)員起跳瞬間的影像也作為輔助判斷的依據(jù)。

通常運(yùn)動(dòng)員的起跳角度為16°至24°，有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員會(huì)合理利用橡皮泥顯示板的45°角，最大程度地發(fā)揮競(jìng)技水平。因此，在設(shè)計(jì)犯規(guī)提示裝置時(shí)，我充分考慮到這一點(diǎn)，力爭(zhēng)讓裝置既符合規(guī)則又利于運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮其水平。

二、硬件組成

1.電容式人體感應(yīng)傳感器

使用20cm×40cm的金屬板作為電容器極板，自制電容式人體傳感器。

電容器電容的大小主要取決于人體和金屬板間的距離與正對(duì)面積。根據(jù)需要，設(shè)置為物體（鞋底）剛觸碰到金屬板時(shí)，即構(gòu)成電容器。通過(guò)單片機(jī)（芯片）測(cè)算出的電容變化值間接地反映人體是否接近并觸碰傳感器，從而判斷運(yùn)動(dòng)員是否犯規(guī)。

2.紅外線傳感器

根據(jù)物體對(duì)紅外線的反射性質(zhì)，選用單向紅外線傳感器。

其原理是，設(shè)定在一定范圍內(nèi)發(fā)射的紅外線如果遇到障礙物，即被反射回傳感器接收頭，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)（芯片）。如果發(fā)射的紅外線沒(méi)有遇到障礙物，隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)而逐漸減弱至消失，則傳感器接收頭無(wú)信號(hào)反饋。

3.控制器

本裝置使用的控制器為Arduino UNO。

Arduino UNO是Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328單片機(jī)，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB接口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

4.顯示器

使用場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)模塊作為電子開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換邏輯電和鋰電，控制12V電源，點(diǎn)亮紅色LED燈帶，作為犯規(guī)提示的顯示裝置。

三、工作原理

利用兩個(gè)不同的傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)員腳尖動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷。當(dāng)判定為犯規(guī)時(shí)單片機(jī)輸出信號(hào)，由場(chǎng)效應(yīng)器控制電源轉(zhuǎn)換，接通12V鋰電電源，點(diǎn)亮紅色LED燈帶，進(jìn)行犯規(guī)提示。

四、裝置控制程序

將判定的邏輯設(shè)定為：當(dāng)電容式人體感應(yīng)傳感器在近似于觸碰范圍內(nèi)檢測(cè)到物體（腳尖）和單向紅外線傳感器檢測(cè)到障礙物（腳尖），這兩個(gè)條件同時(shí)成立時(shí)，由單片機(jī)輸出控制信號(hào)，接通鋰電源，點(diǎn)亮LED燈帶，進(jìn)行犯規(guī)提示。當(dāng)?shù)竭_(dá)提示時(shí)間后，單片機(jī)控制傳感器重復(fù)上述工作過(guò)程，完成循環(huán)檢測(cè)。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.研究了跳遠(yuǎn)起跳板、橡皮泥顯示板的構(gòu)造以及跳遠(yuǎn)起跳犯規(guī)判罰依據(jù)，發(fā)現(xiàn)橡皮泥顯示板的45°斜面的設(shè)置既考慮了運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)的安全，又有利于運(yùn)動(dòng)員更好地發(fā)揮自己的水平。

2.利用多傳感器進(jìn)行跳遠(yuǎn)起跳犯規(guī)的檢測(cè)，用單片機(jī)復(fù)合技術(shù)形成信息處理，進(jìn)而控制顯示裝置進(jìn)行犯規(guī)提示，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)跳遠(yuǎn)起跳犯規(guī)的自動(dòng)判罰。迄今在檢索中未見(jiàn)與本裝置相同的研究。