跳远距离自动测量显示系统设计

1、跳远距离自动测量，显示系统设计摘要 本设计是一种新型跳远测量装置，能应用于体育比赛和体育教学中的立定跳远的距离测量。它主要由发射管驱动电路，光电检测电路，继电器锁定电路，高度显示电路等组成。发射管驱动电路由555定时器驱动电路，产生脉冲。光电检测电路由同相电压放大器，反相电压放大器，光电三极管，发光二极管等组成，由发光二极管的吸收光的情况，确定输出的高低电平。继电器锁定电路由继电器对整个电路设计起到锁定和保护作用。高度显示电路由三位七段数码管显示器显示处理后的结果信息。该装置的结构新颖，精度高，使用方便，数据处理快，效率高，实用且使用寿命长。关键词 555定时器 发光二极管 光电三极管 集成运

2、算放大器 继电器 七段数码管1 引言当前，在体育比赛中，跳远的距离测量仍采用传统的测量方式，但这种测量既费时，又耗费人力，其测量结果既不准确，又很麻烦，不能满足形势发展的需要。为此，我们要设计一种跳远自动测量及显示装置，使竞赛更具有公平，公正，透明。在介绍我们研制的跳远距离自动测量检测的产品之前，我们先来了解一下目前过内外最先进的一种测量装置-立定跳远测量装置，这种产品所存在的缺陷。这种产品只能满足一般的教学和体育比赛使用，但使用起来仍不太方便，在起跳时用力过猛，容易损坏，有时不能及时显示结果，甚至无结果。当一个人接着跳时，需要等一会儿，反应慢。在判断犯规方面也存在着致命的缺陷。在判断运动员是

3、否犯规时，有两种方法：1在踏跳板前沿铺设沙台，以沙台痕迹来判断；2在踏跳板前沿放置橡皮泥显示板，以橡皮泥的痕迹来判断。但以上方法存在着明显的缺点：1运动员在每次踏跳后，裁判员要重新修补，既麻烦又延误时间；2运动员试跳后，裁判员只能在近处详细观察才能判断，周围的观众也只能看到裁判员的旗示，有时会产生疑问，有时的痕迹会产生模棱两可的情况。涉及以上情况，本系统采用数字电路的方式来设计跳远距离自动检测，显示系统设计。可以准确有效的显示运动员的跳远距离，并且犯规报警装置可以及时准确的判断运动员是否犯规。因此，本系统具有良好的准确性，寿命长。体积小，且易维护等特点。2 电路组成发射管驱动电路光电检测电路继

4、电器锁定电路高度显示电路犯规报警装置2.1发射管驱动电路该电路主要是采用了555定时器对整个电路起驱动作用和产生脉冲的作用，同时R1,R2决定了输出脉冲的占空比，电容C1决定了输出脉冲的频率。参考图 图2.1.1 555定时器555定时器是一种电路结构简单，使用方便灵活，用途广泛的多功能电路，只要外部配接少数几个阻容元件，便可组成施密特触发器，单稳态触发器，多谐振荡器等电路。555定时器还输出一定的功率，可以驱动微电机，指示灯，扬声器等，它们的脉冲波形的产生和变换，仪器和仪表，测量与控制，家用电器与电子玩具等领域都有着广泛的应用，555定时器是一种能够产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路。+2

5、.1.2 555定时器的内部结构及性能特点555定时器的内部电路图如图所示，它由晶体管VT,比较器A1，A2及基本RS触发器等部件组成，其中VT起开关控制作用，A1为反相电压比较器，A2为同相电压比较器，比较器的基准电压由电源电压+VDD及内部电阻R1，R2，R3的分压比决定。RS触发器具有复位控制功能，可控制VT的导通与截止。555定时器的电压范围比较宽，在+3V+18V的范围内均能正常工作，其输出电压的低电平VDL0,高电平VDH+VDD,可与其它数字集成逻辑电路兼容，而且其输出电流可达100mA，能直接驱动继电器。555的输入阻抗极高，输入电流仅为0.1uA，用做定时器时，定时时间长而且

6、稳定。555定时器的静态电流较小，一般为80uA左右。 图 图2.1.3 555组成的多谐振荡器555组成的多谐振荡器如图所示，电路的工作原理：接通电源，电源经外接电阻R1,R2向电容C充电。当C上的电压UC上升到2/3UDD时，比较器A1翻转输出低电平， R=0,RS触发器复位输出端Vo=0,则三极管VT导通，C经R2和VT放电；当VC下降到1/3VDD时，比较器A2翻转输出低电平，即S=0,RS触发器置位，输出端变为高电平，VO=1,VT又截止，C又开始充电，如此周而复始，输出端便可获得周期性的矩形脉冲波。2.1.4 时钟脉冲发生器555组成的多谐振荡器的应用十分广泛，时钟脉冲发生器就是其

7、中一种，时钟脉冲发生器又可分为两种：脉冲频率可调的时钟脉冲发生器和占空比可调的时钟脉冲发生器。在本设计中我们应用的是占空比可调的时钟脉冲发生器，在此时钟脉冲发生器中，接入两只二极管VD1,D2后，电容C的充放电回路分开，放电回路为VD2,RB，555内部三极管VT及电容C放电时间t1约为0.7RBC。充电回路为RA,VD,C,充电时间t2约为0.7RAC,输出脉冲的频率为f=1.43/(RA+RB)C，如果RA=RB，则可获得对称方波。2.2 光电检测电路该装置如图所示，当运动员在跳到某一距离时，则挡住了在此段距离上的相应位置上的发光二极管，则光电三极管处于不工作状态，呈现低电平，通过同相电压

8、放大器和反相电压放大器输出高电平。 图2.2.1 发光二极管半导体发光二极管是一种把电能变成光能的器件，即给这种二极管通过一定的电流，它就可以发光。发光二极管和普通二极管一样是由一个PN结组成的，它具有单相导电的特性，也具有普通二极管不具备的发光能力。对于发光二极管来说，复合时释放出的能量大部分以发光的形势出现。发光二极管的参数有两种，即电学参数和光学参数。电学参数有最大工作电流，正向压降，反向耐压等等，这种参数的意义和普通二极管相同。光学参数包括发光波长，发光亮度，光谱分布曲线。发光强度交角分布曲线等。当前应用比较广泛的发光二极管是砷化镓发光二极管和磷砷化镓发光二极管。2.2.2 光电三极管

9、光电三极管的结构与普通三极管基本相同，但工作情况不同。光电三极管基本原理与发光二极管相同，它不仅能和光电二极管一样把入射光信号变成光电信号输出，同时，还能把光电流放大，因此它具有更高的灵敏度。光电三极管和光电二极管的重要差别是它们控制的电流不同，在给定强光的照射下，光电三极管给出的电流比光电二极管大的多，这是因为光电三极管具有内部放大作用。光电三极管具有较高的灵敏度，用途非常广泛。但它有一个很大的缺点是，光电三极管不能对光强的变化作出很快的响应，所以它就不能适用于要求响应非常快的场合。光电三极管的主要参数包括：最高工作电压Uceo，暗电流Iceo，光电流IC，集电极最大电流ICM，最大允许功耗

10、PCM等，在我们的设计中，使用的光电三极管是光电双二极管，它有2个PN结，外性与光电二极管相似，应用最广。2.2.3 集成运算放大器集成运算放大器，顾名思义，是用做数学运算的放大器，它是继电子管，晶体管之后发展起来的电子器件。它内部包含数十到数百个晶体管，电阻，电容，但体积只有一个小功率晶体管大小，功耗也仅有几毫瓦，可是它的功率却大的很。运算放大器本质上是一个高增益的宽带放大器。集成运算放大器的出现使运算放大器由过去被人们成为部件的总成减小到一个器件，从此人们跨越了组装，调整等颇为复杂的运算放大器线路阶段进入了把它作为通用器件广泛灵活的应用阶段。运算放大器自问世以来，便以旺盛的生命力登上历史舞

11、台，发展极其迅速。目前以成为线形集成电路中品种和数量最大的一类。集成运放是一种高增益，高输入阻抗的直接耦合放大器，通常由输入级，中间放大级和输出级等3个基本部分组成。输入级是采用恒流源的差动放大器，有两个输入端，一个叫同相输入端，信号若从这一端输入，在输出端可得到与输入极性相同的信号；另一个叫反相输入端，信号若从这一端输入，在输出端得到反相信号。信号可根据需要从某一端输入，也可以同时从两个端子作差动输入，运放的输入级决定着整个运放的输入阻抗，共模抑制比，零点漂移信噪比以及频率响应等特性。中间级除了放大作用外，还必须完成直流电平位移，使运放输入为零时，输出电平也为零。输出级一般由PNP管和NPN

12、管组成互补推动电路，减小输出信号失真并提高负载能力。2.3 继电器锁定电路该电路主要是对电路起到锁定和保护作用，如图所示。通过在光电检测电路中，运动员跳过一定的距离后挡住了发光二级管，则通过同相电压放大器和反相电压放大器，在输出端输出高电平，启动继电器，单刀双掷开关接通5，则接通了高度显示电路。 图2.3.1 继电器继电器是电子元件中历史最长的产品之一，也属于开关类，它是利用电磁原理，机电原理使接点闭合或断开来驱动或控制相关电路的。继电器为一种控制器件，它有受控系统（输入回路）和控制系统（输出回路）2部分。当输入量（电，磁，光热等物理量）达到某一定值时，输出量跃变式的由零变化大一定值，从而实现

13、对电路的控制，保护，调节和传递信息等目的。继电器还广泛应用于自动，远动，遥控，遥测，通信及电力系统等自动化装置中，还应用于航天，无线电等工业部门。因而设计高敏度，动作快，多触电，长寿命，延时范围扩展可调等各种类型的继电器是很重要的，发展超小型，耐受特殊环境条件的高可靠性继电器系列，适应集成电路系统相匹配的新型继电器品种是新趋势。在本电路设计中，我们所使用的继电器是电磁式继电器。电磁式继电器是继电器中应用最早，最广泛的一种产品。主要由电磁系统，返回系统等部件组成，它有电流继电器和电压继电器2种结构形式。电流继电器的线圈与电源回路串联，以电流为输入量；电压继电器的线圈与电源并联，以电压为输入量。电

14、磁继电器的工作原理很简单，它利用电磁感应原理，当线圈中通过直流时，线圈产生磁动，动铁被吸动带动接触簧片使静接点分开，动接点闭合。当电磁线圈电流被切断后，铁芯失去磁性，动铁芯在弹簧力的作用下恢复，动接点打开，静接点闭合。继电器线圈在没通电时处于断开位置的接点为常开接点，处于接通位置的接点为常闭接点，在一个常开接点和一个常闭接点中间，有一个动接点被称作转换接点。2.4 高度显示电路显示系统是由共阴级三位七段数码管组成，能进行显示功能，如图所示。七段数码管的共阴级分别与二级管连接，当输入为高电平时，相应的二级管所连接的数码管显示器上则显示运动员的跳远距离。显示器内部由发光二级管组成，这种显示器又称发

15、光数码管。根据内部二级管的连接方式，数码管结构又分为共阳极型和共阴极型。共阳极性，内部发光二级管阳极连在一起接高电平；共阴极性，发光二级管阴极连在一起接低电平。数码管内部共有8支发光二级管，7支为字段，可组成字型；另一个为小数点，故数码管有人称为七段数码显示，也有人称为八段显示。共阳极性，各引脚哪个输入低电平，哪个二级管发光；共阴级型，各引脚哪个输入高电平，哪个二级管发光。2.5 犯规报警装置在跳远比赛中，犯规是一种常见的问题，在设计电路时要把犯规这个问题考虑进去，我们是利用光电检测电路，并在输出端连接上红灯报警装置，如果运动员在准备跳远时，脚踏线了，挡住了发光二级管，则通过同相电压放大器和反

16、相电压放大器输出高电平，红灯报警装置就有了响应，运动员被判以犯规，这样就基本满足了实际的需要。2.6 电源直流电源的组成：电源变压器整流电路滤波器稳压电路 2.6.1 电源变压器， 电网提供的单相交流电一般为有效值220V，而各种电子设备所需要直流电压的大小常不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后再将变换以后的副边电压整流，滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压值。2.6.2 桥式整流电路整流电路的作用是利用具有单相导电性能的整流允许，将正负交替的正弦交流电压整流成为单相的脉冲电压。其中的整流元件晶体二级管之所以能整流是因为它具有单相导电性2.6.3 电容滤波器其作用是尽可能的将单相脉动电压的脉动成分滤除，使输出电压成为比较平滑的直流电压，减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。2.6.4 三端稳压器7812它具有1.5A输出能力，内部含有限流保护，热保护。过压保护电路。它可以避免由于输入电压变化，负载电流增大时电源的波纹就变大，从而引起输出电压产生变动的这种现象。3 结论本系统给出的新颖设计方法是通