硅谷杂志：一种人体反应时测试仪的研制 |
| 2013-01-07 11:18 作者：孙亮 李乐 马庆军 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，介绍一种全身反应时测试仪器，通过测量从发出信号到被测试者开始起跳的时间衡量被测试者的反应时间。仪器由单片机控制，通过模数转换电路和放大电路对踏板压力进行采样，以监测被测试者的动作。仪器还可以通过记录被测试者起跳的弹力，测量被测试者起跳时间和起跳过程的最大弹力。通过不同的声、光信号，仪器具有测量简单反应时和选择反应时两种功能。该仪器测量准确，测试方式简单，适合于学校使用。
关键词：全身反应时；选择反应时；压力传感
1背景简介
反应时间是指人体从刺激开始到发动明显的反应所需要的时间，是实验心理学经常使用的变量之一。自从18世纪天文学家提出这一概念后，许多心理学家在反应时间的理论研究和使用技术上都做出贡献，荷兰生理学家唐德斯（F.C.Donders）受人差方程式启发，测量了辨别和选择等心理过程的生理时间即反应时间，并创立了选择反应时间的实验[1]。
20世纪50年代以来，出于康复医疗和运动生理学领域研究的需要，对反应时开展了更为系统的研究。库瑞同（Cureton）采用对视觉信号做出纵跳反应的方法，测定了许多项目运动员的全身反应时[2]。猪饲道夫应用肌电图方法对全身反应时进行了研究[3]。
很多人类运动行为的实验数据证明，“反应时”反映了人对自已运动行为控制的一个复杂过程。这一复杂的行为控制过程基本上包括：人对外界信息的辨认（identification）、人对反应行为的选择（responseselection）和人对具体反应动作的程序化（programming）[4]。随着人体反应理论和测试方式的不断发展，对人体反应时的研究体现出了越来越重要的意义。
1测试原理
全身反应时可分为简单反应时和选择反应时。一般来说，在高难度任务条件下，提高反应准确性需以降低反应速度为代价[5][6][7]。而反应时间又有多种评价方式，接收信号不同，产生动作不同，都会影响到反应时间的长短。研究表明，对于相同测试条件下，同一个体不同部位（如手、脚）的反应时间不同。近年来，多种测试仪器被设计出来以满足科研和测试的需求[1]。本文研制了一种仪器用来满足中学生日常测试的需要。
[8]AlfredWeiss提出将反应时划分成前反应时（PMT）和动作时（MT），前者为从刺激开始到肌肉产生动作电位的这段时间，后者又称电机械延迟（EMD），即肌肉兴奋产生动作电位到开始产生收缩变化的这段时间。而测定EMD需要植入肌肉探针，这种方式不适合中小学体能测试应用。更重要的是，对于同一个年龄段的测试者，EMD的测定仅具有生理学意义，并不能为体育锻炼提供指导。所以本仪器采用更为简单的测定全身反应时的方式。而当前国内的同类设备，大多采用手指按键的方式作为反应终止信号，这种方式并不能准确全面地反应测试者的全身反应时。本仪器采用弹跳的方式，通过检测测试者双脚对踏板压力的变化来测试从发出声光信号到测试者腿部肌肉群开始动作的时间差。不同于手指按动按钮，弹跳动作是一个全身性运动，整个过程涉及更多的肌肉组织。因此这种动作方式，能够更加全面地反应身体的反射时，同时也更能客观地反应出训练对人体反应时的缩短作用。
该仪器不仅可以测量人体的全身反应时和选择反应时，还可以借助设备平台测量测试者的起跳时间及最大瞬间弹力，绘制出整个起跳过程中的压力曲线，由此可以对测试者的其他身体素质指标如爆发力，进行辅助分析。
2系统概述
图1系统结构框图
本系统由主机和弹跳台组成，主机上有一个3.5寸液晶屏幕、起跳按键、起跳方式设置按键、起跳方向指示灯、起跳蜂鸣器以及开关和数据电缆组成。主机内部包含所有电子系统。
进行测试时，操作员手持仪器主机，被测试者站在弹跳测试台上，等待操作员口令。操作员发出口令，被测试者屈膝做准备弹跳姿势。操作员根据情况突然按下开始测试按钮，由测试仪发出起跳指令，接收到起跳指令后，被测试者起跳。起跳指令可以为直接起跳指令和选择起跳指令，在直接指令方式下，被测试者收到指令后直接起跳；在选择起跳指令方式下，起跳方向指示灯会产生一个随机方向的起跳灯光信号，被测试者在收到起跳指令后要根据指令进行判断，并按照指令所示方向进行弹跳。在发出起跳信号后，系统会自动记录从指令发出到被测试者开始动作的时间（tr）、被测试者起跳过程所花时间（tj）和起跳最大瞬间弹力（Fmax）3个参数，并将该参数显示在液晶屏上。
本仪器按照功能可以分为4个模块，包括弹跳台、放大电路、测量与主控芯片、USB通信模块。弹跳台内部装有压力传感器，可以监测弹跳台上的压力变化；放大电路将压力传感器的信号滤波后转换为适合采集的电压信号；电压信号经由单片机内部的AD转换器转变为数字信号，经过处理与分析，在液晶屏显示出所需要的测量数据，也可以通过USB通信模块将测量的原始数据上传到个人电脑中进行进一步的分析。
仪器的工作过程如下：测试开始后，单片机在计时的同时，不断测量弹跳台的受力变化，在检测到受测试者有动作，即踏板压力产生变化时，系统记录下此时的时间，即为被测试者的“反应时间”，在此之后到被测试者完全脱离踏板的时间间隔，记录为“起跳时间”，而在整个起跳过程中的弹力最大值，被记录作为“最大弹力”。
3系统硬件
由主机和弹跳测试台组成。传感器的信号经由电缆，放大电路，由模拟-数字转换器（ADC）转换为数字信息，这些数字信息由单片机进行处理、分析，得到所需要的数据。具体过程如下：
1）弹跳台：
弹跳测试台由4个单臂半桥式电阻应变片构成，应变片与自带的等值电阻组成了2组差动单臂全桥电路，在5V供电下，每组应变片可以输出2mV/kg的电压偏移。这2组偏移量经过差动放大变成0~4V的电压输出，可以直接与ADC相连接。主控电路经过采样，就可以实时监测弹跳测试台受到的压力。
2）放大电路：
放大电路的目的是把传感器产生的微弱电信号放大。变成适合ADC识别的电压输出（0-5V）。由于传感器输出的是差动信号，所以采用多组差动电路进行放大。
图2放大电路原理图
U1A与U1B共同组成了一个高阻抗输入的差分变换电路，单臂全桥电路差动输出经过这2个运放被转换为放大倍数为2，相对模拟地（GND）单调变化的量。
设R1左臂输出电压为、R1右臂输出电压为。由此可知，R1是一个差动输出量为的全桥。将R3调节为电位器中点，则U1B输出端的电压为：
（1）
同理可知，另一组运放U1C和U1D的输出为
（2）
以上2个电压量作为差动放大器AD623（U2）的输入，输出将是一个以0V为零点，单调递增的输出量。根据AD623的技术手册，该部分的放大倍数，其中在电路中。这里调节R4电位器使放大倍数为45倍，U2输出电压为
（3）
3）主控制器和外围电路：
系统主控制器为STC12C5AS2，该芯片为高性能8位单片机，增强型Intel8051内核，内置AD转换器。K1为“开始测试”按钮，检测到按钮按下后，控制器完成数据采集，分析的任务，并通过通用并行输入输出接口（GPIO）将结果输出到液晶屏幕上显示。
4系统软件
4.1模型的建立
系统需要测量的参数有3个，分别是反应时间（tr）、起跳时间（tj）和最大弹力（Fmax）。
以下是实际测量中的2个典型时间对弹力（F-t）的曲线，可以明显地看出弹跳板随时间的受力情况。显然，该过程可以分为静止，起跳，脱离3个阶段。从操作者按下开始按钮开始计时，到被测试者开始对踏板发力，这段时间记为“反应时间（tr）”；从该时刻到被测试者脱离踏板，这个时间记为“起跳时间（tj）”；全程最数据最大值记为“最大弹力（Fmax）”。
在测试的过程中，要求被测试者屈膝站立，一般情况下，F-t曲线如图1（a）所示。但很多被测试者也常常会在听到起跳命令后习惯性地外加一个屈膝动作，造成曲线在起跳开始时有一个下降沿（图1-b）。介于此，系统在进行采样时采用检测法，即检测单位时间内的受力变化量的绝对值，若该值超过预设值，则认为已经开始起跳。
（a）起跳时有屈膝动作（b）起跳时无屈膝动作
图3两种典型的测试曲线
4.2程序流程图
（a）主程序流程图 （b）中断程序流程图
图4程序流程图
5微机界面
图5上位机操作界面 图6保存的数据与曲线
如果需要，仪器可以通过USB接口连接到PC上，在每次测量结束后，仪器会发送整个测量的原始数据到PC上以供研究。借助于上位机应用程序，可以接收测试仪发送的测试结果。并可以将测试结果以Txt文件格式导出，或将数据描绘成时间-弹力曲线，导出成为Excel文件保存。
6结论
本文介绍的测试系统，可以快捷、无伤害地测试人眼-股二头肌的反应时间，是一种快速、低成本的全身反应时测试方案，广泛适合于大中院校、体质评测机构的推广应用。
作者简介：
孙亮（1983-），男，吉林四平人，硕士，研究实习员，主要从事空间相机计算机控制研究；李乐（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，助理研究员，主要从事电子信息工程研究；马庆军（1979-），男，黑龙江密山人，博士，副研究员，主要从事遥感数据获取和处理算法研究。
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