第四代競走智能報警器

孔祥灝

摘 要：競走是一種兩腳交替走步的田徑運(yùn)動。競走與跑步的根本區(qū)別在于競走時兩腳必須與地面輪換接觸，不能有雙腳騰空階段。而現(xiàn)實(shí)的競走比賽中，全憑裁判的肉眼與經(jīng)驗(yàn)來裁定犯規(guī)與否，裁判員的主觀判定無可避免地存在著漏判、錯漏情況。輕則影響參賽者心理狀態(tài)、重則顛覆比賽結(jié)果，這違背比賽公平競爭的基本原則。

而本設(shè)計的目的即是通過更可靠的輔助裝置，來幫助裁判判別運(yùn)動員競走時騰空犯規(guī)與否，這對參賽者來講，基本能實(shí)現(xiàn)人人平等的良好競技環(huán)境，使人為因素的影響達(dá)到最小化。

競走智能報警器聯(lián)系課堂所學(xué)基礎(chǔ)電路知識：歐姆定律、通路、短路、串并聯(lián)回路等原理，把鞋前掌與后跟的常開觸點(diǎn)、導(dǎo)線、LED、計數(shù)器和蜂鳴器，通過串并聯(lián)回路設(shè)計，當(dāng)鞋內(nèi)的任一常開觸點(diǎn)受力閉合時，短接報警裝置，報警裝置不會報警，而當(dāng)雙腳騰空發(fā)生時，4個常開觸點(diǎn)都處于斷開位置，在參賽者腰上的報警器發(fā)出蜂鳴聲和紅色閃光信號，同時，計數(shù)器會記錄一次犯規(guī)，從輔助的角度來幫助裁判員更輕松更穩(wěn)妥地裁定犯規(guī)與否。

關(guān)鍵詞：競走;裁判;歐姆定律;串并聯(lián)電路

一、課題由來：

本作品由來來源于學(xué)校運(yùn)動會的競走比賽中，由于技術(shù)上的一些不足，包括我在內(nèi)的一些參賽選手，對裁判的判罰存有異議，但又苦于無法自證;而擔(dān)任裁判的老師也由于缺乏客觀證據(jù)，無法向我及其他選手證明其判罰的正確性。

在物理課上，老師講解并聯(lián)回路時提到，四門轎車的任一扇門開啟著，車廂內(nèi)燈就會長亮，是因?yàn)樗纳乳T各有一個小開關(guān)，與車廂內(nèi)燈泡并聯(lián)，只要有一扇門開啟，燈就會長亮，四扇門都關(guān)上時燈才熄滅。讓我不禁想到，如果競走運(yùn)動員的鞋子也能裝上類似的裝置，在運(yùn)動員犯規(guī)時燈就能亮，將能減少很多爭議。

競走是一種兩腳交替走步的田徑運(yùn)動，比賽于田徑場或公路上進(jìn)行。在奧運(yùn)會和重大田徑賽事中男子有20公里和50公里公路競走、20公里田徑場地競走;女子有5公里田徑場地競走、10公里公路競走。而競走與跑步的根本區(qū)別就在于走步時雙腳必須與地面輪流接觸，不可有雙腳騰空階段。

根據(jù)作者觀察理解，在各種人為與非人為因素的綜合情況下，裁判員的主觀判定無可避免地存在著錯漏，這樣的疏忽輕則影響參賽者心理狀態(tài)、重則顛覆比賽結(jié)果，這對執(zhí)行公平競爭的基本準(zhǔn)則存在著不能忽視的隱患，甚至為人為操縱比賽結(jié)果創(chuàng)造了溫床。

結(jié)合課堂所學(xué)的基礎(chǔ)電路內(nèi)容，作者決定設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單的競走智能報警器，以解決上述問題。本設(shè)計靈感來源于擊劍運(yùn)動中的電子裁判輔助器和小朋友們愛穿的閃燈童鞋。

二、原理

歐姆定律：導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。

（表達(dá)式：I=U/R）

通路：在閉合電路中，從電源正極流出，經(jīng)過用電器，返回負(fù)極，形成完整的回路，稱之為通路。通路是在電路中，處處連通的電路。

斷路：當(dāng)電路沒有閉合開關(guān)，或者導(dǎo)線沒有連接好，或用電器燒壞或沒安裝好時，即整個電路在某處斷開，處在這種狀態(tài)的電路叫做斷路。

短路：電流自電源一端未流過負(fù)載而直接流回電源的另一端，電流沒有經(jīng)過用電器而構(gòu)成回路。

三、制作過程

（一）制作材料

12V電池2節(jié);電源控制開關(guān)1個;6-24V蜂鳴器;常開觸點(diǎn)4套;12-24V接點(diǎn)計數(shù)器1個;24V中間繼電器1個;100Ω電阻1個;細(xì)軟銅導(dǎo)線若干;刀鋒跑步鞋一雙等。

（二）制作工具

小刀、剝線鉗、螺絲刀、萬用表、透明膠、硅膠、3M絕緣膠帶、電烙鐵等。

（四）電路設(shè)計

上圖中S為直流電源;R為一阻值為100Ω的小電阻，與電源串聯(lián)起限流作用;K為開關(guān);LED為發(fā)光二極管;speaker為蜂鳴器;4副斷開觸點(diǎn)并聯(lián)于聲光回路，在接觸時將LED和speaker短路。

（四）競走智能報警器的制作：

競走智能報警器的制作較簡單，先將電阻與電源串聯(lián)，再將4對觸點(diǎn)與蜂鳴器及LED燈并聯(lián)連接，并固定，具體步驟如下：

1.準(zhǔn)備好運(yùn)動鞋一雙（刀鋒跑步鞋）、腰帶一根，市場上很容易買到。

2.蜂鳴器、常開觸點(diǎn)、計數(shù)器、中間繼電器，這些材料都是在淘寶上買的，但是也費(fèi)了不少周折，計數(shù)器買的是5位數(shù)的，但廠家發(fā)貨是6位計數(shù)的，顯得有點(diǎn)大。

3.為找到合適的電阻，本設(shè)計中測試了3種電阻，分別是1 KΩ、100Ω和10Ω;選用1KΩ時，由于電阻過大，無法供給蜂鳴器以正常工作電壓，故蜂鳴器啟動不成功。選用10Ω時，由于電阻過小，雖然蜂鳴器能啟動，但電流過大，將近1A，以致12V電池放電過快，使裝置的工作時間大大縮短;最后選用100Ω時，電阻大小合適，順利啟動蜂鳴器，同時電池短路電流降低到90mA，得到足夠長的電池壽命。

4.在R、L線路兩側(cè)各引出2根1.5M左右導(dǎo)線，使用電烙鐵加熱已剝好導(dǎo)線的裸露部分，均勻涂抹好松香，利用焊錫將開關(guān)、電阻、觸點(diǎn)及蜂鳴器等并聯(lián)焊接牢固。焊接時單人操作較困難，最好兩人相互配合。

5.報警裝置做好后，合上電源開關(guān)計數(shù)器卻不動作，查接線都正確就是計數(shù)器沒反應(yīng)，在無數(shù)次試驗(yàn)后懷疑計數(shù)器工作原理可能不對時，一不小心碰落計數(shù)器接點(diǎn)一根線，計數(shù)器奇跡般的動作了，原來計數(shù)器動作內(nèi)部已經(jīng)短接了，外面只要接一根線即可。

5. 將電池、蜂鳴器和計數(shù)器用透明膠帶包裹緊密，將其固定在腰帶上。

6. 用502膠水將4對觸點(diǎn)分別固定在兩只運(yùn)動鞋底前后片狀空隙內(nèi)，觸點(diǎn)裝置采用行程較短的彈簧觸軸，保證了上千次的耐用性;而觸點(diǎn)選用銅材質(zhì)以保證接觸良好的同時兼具足夠的靈敏度。

將接點(diǎn)連接的線置入鞋底縫隙處，用膠帶固定，當(dāng)電源開關(guān)閉合時，四個常開觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，此時，蜂鳴器回路接通，腰帶上的蜂鳴器發(fā)出聲音，同時LED燈發(fā)光。而當(dāng)任意一個常開觸點(diǎn)閉合后，回路短路，報警燈立即熄滅，蜂鳴器停止工作。

7、第三代競走智能報警器采用計數(shù)器亮屏顯示來代替原來的電源燈，通電時屏幕顯示又大又亮，當(dāng)運(yùn)動員犯規(guī)時，裁判視線容易被遮擋，聲音也聽不清楚，會誤判漏判，增加計數(shù)器后，每次犯規(guī)都會被記錄下來，并累計統(tǒng)計，裁判又多了一個輔助功能，使判罰更準(zhǔn)確，同時減少裁判的人數(shù)和工作量;選用兩節(jié)12V電池后，計數(shù)器后電池電量消耗過快電源燈和蜂鳴器都能正常啟動;報警器的底座采用電木萬能板“洞洞板”，使焊接、接線更方便。

然而，第三代競走智能報警器在演示過程中還存在一些不足，例如：

（1）原先常開觸點(diǎn)藏于鞋墊下面，運(yùn)動員在競走時還存在作弊行為，因?yàn)槟_在鞋子里有一定活動空間，腳趾頭的小動作無法監(jiān)督到位。現(xiàn)在使用先進(jìn)的刀鋒跑步鞋，將常開觸點(diǎn)直接固定在鞋底的刀鋒內(nèi)，腳趾頭無法作弊，使比賽更加公平公正。

（2）導(dǎo)線也從鞋子外面引出，運(yùn)動員不會扯到導(dǎo)線，行動更加方便，采用對運(yùn)動員行動影響降低到最小。

（3）采用性能更好的中間繼電器KM，保證繼電器的靈敏度和可靠性，繼電器線圈通電后同時接通兩付接點(diǎn)KMI和KM2，使蜂鳴器、計數(shù)器動作同步。

四、第四代作品演示

雙腳站立時，計數(shù)器屏幕亮，代替電源燈，報警燈不亮

雙腳離地時燈亮，計數(shù)器動作

左腳離地，右腳在地時報警燈不亮，計數(shù)器不動作

右腳離地，左腳在地時報警燈不亮，計數(shù)器不動作

在比賽時開啟競走智能報警器系統(tǒng)，計數(shù)器屏幕亮代替電源指示燈，證明電源開關(guān)開啟及回路正常。當(dāng)運(yùn)動員競走時，腳與地面接觸，至始至終有一個常開觸點(diǎn)是閉合的，此時回路將蜂鳴器短路，蜂鳴器不會報警，計數(shù)器也不會計數(shù);當(dāng)運(yùn)動員雙腳騰空犯規(guī)時，4副常開觸點(diǎn)全部斷開，對直流源的短路效果消失，繼電器里線圈通過電流，同時閉合兩付接點(diǎn)，蜂鳴器開始工作，報警燈發(fā)出亮光，計數(shù)器動作一次。

比賽過程中，一旦發(fā)現(xiàn)報警燈閃爍、蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲時，則說明運(yùn)動員犯規(guī)，同時計數(shù)器記錄犯規(guī)1次。

五、結(jié)論

競走智能報警器小巧、輕便、可隨身攜帶不會對運(yùn)動員造成不適感;能夠準(zhǔn)確無誤地起到犯規(guī)報警作用，有效避免了運(yùn)動員和裁判雙方之間不必要的爭執(zhí)，從輔助的角度來幫助裁判員更輕松更穩(wěn)妥地裁定犯規(guī)與否，讓事實(shí)來說話。

六、作品的優(yōu)化

（1）原先三代的運(yùn)動鞋，常開觸點(diǎn)置于鞋墊下面，運(yùn)動員在競走時還存在作弊行為，因?yàn)槟_在鞋子里有一定活動空間，腳趾頭擠壓觸點(diǎn)的犯規(guī)動作裁判無法監(jiān)督到。然而，使用刀鋒跑步鞋，將常開觸點(diǎn)直接固定在形式刀鋒的鞋底內(nèi)側(cè)，使腳趾頭無法接觸到觸點(diǎn)，讓比賽更加公平公正。

（2）導(dǎo)線也從鞋子外面引出，運(yùn)動員不會扯到導(dǎo)線，行動更加方便，采用對運(yùn)動員行動影響降低到最小。

（3）采用性能更好的中間繼電器KM，保證繼電器的靈敏度和可靠性，繼電器線圈通電后同時接通兩付接點(diǎn)KMI和KM2，使蜂鳴器、計數(shù)器動作同步。

4. 以上皆可根據(jù)成本要求進(jìn)行優(yōu)化替換。

七、參加創(chuàng)新活動的感悟

其實(shí)生活中有很多點(diǎn)點(diǎn)滴滴看上去微不足道，但深入研究就會發(fā)現(xiàn)別有洞天，遠(yuǎn)非動腦一分鐘就能想明白個所以然。而這次四代作品設(shè)計改進(jìn)看似簡單，也著實(shí)花了一些功夫。從競走的歷史和現(xiàn)狀，規(guī)則和判罰這些基本點(diǎn)去調(diào)查認(rèn)知。再到運(yùn)動鞋的形狀、外底的結(jié)構(gòu)、中底、鞋墊等，以及運(yùn)動鞋的橡膠、彈性的了解和實(shí)踐。最后還有對身邊無處不在的電路及發(fā)光二極管的以及中間繼電器的研究理解，對計數(shù)器不動作沒有選擇放棄，而是堅(jiān)持不懈的查找原因，最終得到勝利女神的眷顧，幸運(yùn)的找到原因。特別是身處于這個信息時代，通過網(wǎng)絡(luò)來獲取相關(guān)知識，教人享受到了獲取知識和實(shí)踐過程中的快樂以及自豪。

參考文獻(xiàn)

[1] 百度百科 baike.baidu.com

[2] 維基百科 zh.wikipedia.org