馮逸飛 王琦 王旭

摘要：傳統(tǒng)木人樁武術(shù)訓(xùn)練裝置依靠使用者本身判斷訓(xùn)練效果，難以做到客觀準(zhǔn)確。該文論述了一種可以反饋練習(xí)者擊打力度、速度和反應(yīng)時間等參數(shù)并出具訓(xùn)練報告的新型木人樁武術(shù)訓(xùn)練裝置。文中討論了裝置使用的力傳感器和速度傳感器的制作，以Mega16為核心的下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計和LabVIEW上位機(jī)軟件的開發(fā)等過程。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；Mega16單片機(jī)；力傳感器；速度傳感器；武術(shù)訓(xùn)練

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)22-5363-04

Development of A New Type of Martial Art Training Apparatus Based on LabVIEW and Mega16

FENG Yi-fei, WANG Qi, WANG Xu

(University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: This paper discusses the development of a new type of martial art training apparatus with a dummies target, which can provide users with their training records including hitting force, hitting speed and reaction interval. This apparatus contains special-made sensors, circuit based on Mega16 MCU as well as a PC software developed with LabVIEW. All of above are involved in this paper.

Key words: LabVIEW; Mega16; force sensor; speed sensor; martial art training

1概述

木人樁是習(xí)練我國傳統(tǒng)武術(shù)的常用裝置，它可以幫助練習(xí)者將套路中的手法和腳法揉合到實戰(zhàn)中去。但是傳統(tǒng)的木人樁只是一個人形的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其訓(xùn)練效果只能依靠練習(xí)者和教練主觀判斷。在體育愈來愈講求科學(xué)指導(dǎo)的今天，這顯然是不夠客觀準(zhǔn)確的。為此，本課題擬開發(fā)一種可以反饋習(xí)練者擊打力度、速度和反應(yīng)時間的新型木人樁訓(xùn)練裝置，以求提升訓(xùn)練效果。

本裝置設(shè)有6個擊打部位，每個部位設(shè)有一個擊打指示燈，練習(xí)者進(jìn)行訓(xùn)練時，這6個指示燈隨機(jī)點亮，指示用戶對相應(yīng)部位進(jìn)行擊打，練習(xí)者總共擊打的次數(shù)可通過軟件提前設(shè)定。練習(xí)完成后，系統(tǒng)自動出具報告，反饋練習(xí)者每次擊打的力值、速度和反應(yīng)時間，以及擊打效果最好和最差的部位。

本裝置除木人樁外還有傳感器、硬件電路和上位機(jī)軟件等三個部分，這三部分的設(shè)計與制作將在后文一一論述。

2傳感器制作

本裝置共使用了力傳感器、速度傳感器和觸點開關(guān)等三種傳感器，分別用以獲取擊打力、擊打速度和反應(yīng)時間。

目前市面上的力傳感器通常具有量程不足或價格昂貴等缺點，為克服這些缺點，本課題采用常規(guī)元件自制測力傳感器。如圖1所示，力傳感器由彈簧、磁鐵、霍爾元件和固定結(jié)構(gòu)四部分組成。它的原理如下：當(dāng)用戶擊打木人樁上擊打點時，擊打力傳遞給彈簧并將其壓下，與彈簧相連的磁鐵也隨之下降，從而改變霍爾元件周圍的磁場分布，進(jìn)而改變霍爾元件的輸出電壓值。通過標(biāo)定可得出輸出電壓與擊打力的關(guān)系。圖2是放置于部位1的力傳感器的電壓-力曲線及其擬合方程。傳感器可測量最大力為60公斤，精度為0.1kg。

3下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

下位機(jī)以ATmega16單片機(jī)為核心進(jìn)行開發(fā)，它在本裝置的作用有個：一是收集、處理傳感器數(shù)據(jù)，二是與上位機(jī)通信，根據(jù)指令上傳數(shù)據(jù)或者控制指示開關(guān)。由于本裝置所使用的傳感器、觸點開關(guān)、LED指示燈等元件數(shù)量較多，超過了一塊單片機(jī)所能控制的范圍，故將電路功能分配給兩塊單片機(jī)實現(xiàn)。下位機(jī)在進(jìn)行串口通信時，采用了MAX232芯片；在控制指示燈時，采用了74H138芯片。下位機(jī)的部分電路如圖3所示。

4上位機(jī)軟件開發(fā)

上下位機(jī)采用串口通信，為簡化編程，本課題將這部分功能封裝在動態(tài)鏈接庫（DLL）文件中。LabVIEW通過調(diào)用庫中Get_Force(UCHAR ch)，Get_Speed(UCHAR ch)，Set_Led(UCHAR ch)等函數(shù)，控制下位機(jī)反饋數(shù)據(jù)或?qū)ν鈬M(jìn)行操作。

上位機(jī)軟件界面如圖4所示，允許用戶進(jìn)行訓(xùn)練前的配置和查看返回結(jié)果。程序流程圖如圖5所示。其中測量擊打力度、速度和反應(yīng)時間是程序的核心，該部分程序如圖6所示。

5結(jié)論

本課題開發(fā)的新型木人樁武術(shù)訓(xùn)練裝置，采用了測量準(zhǔn)確、價格低廉的自制傳感器，運用單片機(jī)和虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了擊打力度、速度和反應(yīng)時間參數(shù)的反饋等功能。本裝置使武術(shù)訓(xùn)練趨于科學(xué)化，具有較好的推廣潛力。本課題受北京科技大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃資助（項目編號：11040185），目前已經(jīng)通過學(xué)校驗收。

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