摘要：竞走在实际训练、比赛中队员有犯规嫌疑就会被警告，但没有什么可靠的依据。运动员如果满足竞走定义，有犯规嫌疑，就被裁判警告并罚下场，这样有时就会对有些运动员不公平。根据竞走的定义和核心规则，分析竞走在比赛、训练中存在的问题，并结合实际情况，采用555时基电路设计了一种多功能的竞走技术检测器，并介绍了安装方法。该设计主要针对双脚离地犯规进行检测，如果运动员双脚同时离地犯规红外线检测仪就能检测到，同时计数器计数1次，蜂鸣器也发出声音提示运动员犯规。
关键词：竞走；步频；红外线检测仪；犯规警告
0 引言
竞走是田径比赛中具有特殊规则的比赛项目，也是我国在世界大赛中具有很强竞争力的项目之一[1]。竞走是改变正常走路动作的一种快速走[2]，主要目的是通过改变身体正常走路动作来使走路的速度达到最大化，其比赛的特点在于对技术的严格限制和特定的裁判规则[3]。竞走运动自产生和发展以来，伴随着运动技术的发展、运动成绩的提高，以及世界各国的教练员、运动员和科研人员付出的艰苦努力和精心钻研，竞走运动在规则的严谨、判罚的公正、技术的合理、识别的精细方面，一步步地向着更加科学、更加精尖的方向蓬勃的发展起来[4]。竞走是在普通走的基础上发展起来的，是运动员与地面保持接触，连续向前迈进的过程，没有（人眼）可见的腾空[5]。前腿从触地瞬间至垂直部位应该伸直（即膝关节不能弯曲），两者的动作结构相同，都是由单脚支撑和双脚支撑交替反复进行[6]。但竞走有它的特点，骨盆前后转动大，腰部有一定的扭动，两臂积极摆动，脚触地时腿充分伸直，步幅大，频率高，前进速度快。竞走单脚迈进分解过程如图1所示。
竞走有两个核心规则：竞走运动员使用与众不同的步法，看起来很特别，但这种步法是规则规定的。首先，一个竞走运动员必须始终保持至少有一只脚与地面接触。其次，从前进脚落地的一刻起直到腿部达到垂直的姿势，腿部必须保持直线，膝盖不能弯曲[7]。有9名裁判分布在比赛线路上监督任何运动员的犯规动作。当裁判看到竞走运动员有犯规嫌疑时就警告他1次。警告一般是通过在道路两边向犯规者出示白色标志来表示的，此后裁判员会通知主裁判。
在平时训练、正式比赛中队员如果有犯规嫌疑就会被警告，没有什么可靠的依据，运动员如果满足竞走定义，有犯规嫌疑，就被裁判警告并罚下场，这样有时就会对有些运动员不公平。本设计主要针对双脚离地犯规进行检测，如果运动员双脚同时离地犯规红外线检测仪就能检测到，同时计数器计数1次，蜂鸣器也发出声音提示运动员犯规。
图1 竞走单脚迈进分解过程图
1 设计思想
1.1 双脚离地违规检测
本设计的基本思想是若运动员在比赛中双脚同时腾空，安装在竞走鞋掌上的红外线发射电路同时发出脉冲信号，信号就会被红外接收电路接收，计数电路计数1次，蜂鸣器也发出一声提示音。从而提醒队员犯规一次。双脚腾空检测设计思路图如图2所示。
图2 双脚腾空检测设计思路图
1.2 步频检测
运动员每走1步，都会发出1个红外脉冲，被计数电路接收，计数1次。让队员们在训练过程中，知道自己的最佳步长、步频，从而提高训练效率。步频检测设计思路图如图3所示。
图3 步频检测设计思路图
2 电路设计
2.1 红外发射电路
红外线[8]属于不可见光，与一般的可见光线不一样，其电磁波长在950 nm范围内，广泛应用于遥控和传输设备上。其优点主要有：
（1）有较高的传播速度，不会产生，空间反射以及全折射等作用而出现的干扰；
（2）传播中不会产生畸变噪音；
（3）在高峰值功率情况下所需要的功率较小；
（4）采用一定的调制方法可以有高的抗干扰性；
（5）在仅有的一个载波频率的情况下，可以有高的稳定性。
电路中红外发光二极管，采用的是砷化钾红外发光二极管LD274[9]，其属于光角发光二极管，光角是指其管芯制作的发射锥体（抛物面）的角度较大，角度小于160°。其截止电压为4 V，导通电流为30 mA，t=10 μs内允许的冲击电流为2.5 A，损耗210 μW，损耗极小。空气热阻中为Rt=350 K/W。阻挡层温度为100℃。
考虑到竞走专用鞋的实际情况——轻便，这里用的红外发射电路，具有体积小，重量小，损耗少的优点。
由于在竞走过程中，两脚不能同时离地，主要辨别的是脚掌，所以发射电路的开关按钮装在鞋掌部分，发射电路的其他部分安装在鞋面上，当把开关DR按下，作为能源的电容器C1将通过由发光二极管VD发射放电，形成由555[10]组成的时基电路和晶体管VT控制，其峰值电流可达1 A，持续时间可有0.1 s。这个电路时间延迟只有0.5 ms，也就是说该电路有足够的时间判断出队员是否违规。图4是红外线发射电路。
图4 红外线发射电路
2.2 接收发声模块
采用的红外接收器具有很高的接收灵敏度，其接收红外线波长近900 nm，超过人体的热释红外线的波长。红外接收元件采用一种现在常用的一体化红外接收头（JST）来接收红外发射模块所发射的红外信号，一体化红外接收头（JST）在电视遥控器中应用最广泛，内置有前置放大、限幅放大、检波、稳压等电路，红外电路发射的信号，经过（JST）处理后，输出脉冲信号，再经R2，VD1的控制，通过555时基电路的调制，最后由555时基电路的3脚输出放大的脉冲信号经运算放大器VT2放大后，在CP输出并在蜂鸣器上发出声音。红外线接收和蜂鸣器电路如图5所示。
2.3 计数显示模块
电路采用显示组件CL002（内部无计数器）和同步加计数器CC4518[11⁃12]组成，CC4518接成3位串行BCD码计数器，在脉冲信号CP作用下进行十进制计数。CL002的I⁃IV显示对应的3位计数值。计数脉冲由555振荡器电路产生，经VT2放大，送入计数显示电路，记录并显示出来。十进制计数显示电路如图6所示。
图5 红外线接收和蜂鸣器电路
图6 十进制计数显示电路
3 元器件的选择与安装
元器件的选择，关键是红外线发射、接收二极管的选择，红外线发射二极管有窄角红外线发射二极管和光角红外线发射二极管之分，窄角红外线发射二极管是指在制作工艺，管芯制作时，其反射锥体（抛物面）的角度较小，但其方向性较强，作用距离远，约遥控距离是15 m，角度小于30°。光角发射二极管相对的发射锥体的角度就较大，由于竞走是一个运动过程，笔者采用的是一个光角发射二极管。砷化钾红外发光二极管LD274，发射范围大，发射强度大，作用范围8 m。红外线接收二极管采用的是一体化红外接收头（JST），这种接收头简单、常见、功能强大，内置前置放大、限幅放大、检波、稳压等电路。
红外电路的安装：小型按钮开关DR安装在竞走鞋的鞋掌中，红外线发射二极管安装在鞋头，红外接收模块的一体化接收头（JST）安装在鞋跟部位。计数显示电路安装在鞋的侧面。
4 结语
经过对基于555的多功能竞走技术检测器的测试，大量测试结果表明此检测器能有效地针对竞走过程中双脚离地犯规进行检测，同时计数器计数一次，蜂鸣器也发出声音提示运动员犯规。此设计能一定程度上减少教练误判的行为，无论是对竞走队员还是教练都提供了一定的依据。
