人体全身反应时间测量仪研制与应用

顾信文，高 俊，张笑昆，陶 成

（哈尔滨师范大学 体育科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

进入21世纪以来，随着现代科学技术的不断发展，人们对于自身运动技能的学习与控制的探索不断深入。通过对人体心率、脑电、眼动、反应时间等指标的测量，力求发现人体运动技能学习的过程和形成的规律［1］。反应时间作为推断人体运动特征和信息的重要指标，历来受到体育专家、学者的重视。近年来，人们更是将人体反应时间中的全身反应时间作为评价动作形式和开始时间预判能力的重要指标。基于此，本研究通过研制人体全身反应时间测量仪，力求在改进运动人体科研实验设备和培养运动科学试验人才的基础上［2－4］，为我国人体科学的研究与发展提供理论依据与实践参考［5］。

1 人体全身反应时间测量仪设计

人体全身反应时间测量仪包括起始信号发出装置、压力传感装置、信息记录装置、反应时判断装置（见图1）。起始时刻发出起始信号，通知被测人员跳离承重装置；从起始时刻至被测人员完全跳离承重装置，按时间顺序记录承重装置承受的压力值及其对应时刻；从起始时刻对应的压力值开始向后，将第一个满足压力值大于第一压力的前一压力值作为反应准备压力值，用反应准备压力值对应的时刻减去起始时刻得到的时间差作为反应准备时间；从反应准备压力值开始向后，将第一个满足压力值小于第二压力的压力值的前一压力值作为全身反应压力值，用全身反应压力值对应的时刻减去起始时刻得到的时间差作为全身反应时间。

图1 仪器设计框图

2 人体全身反应时间测量仪的研制

本系统由主机和弹跳台组成，主机上有一个85.4 mm（3.5英寸）液晶屏幕、一个按键、起跳指示灯、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和电池。

2.1 弹跳测试台

图2 弹跳测试台

弹跳测试台（见图2）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，可以直接与AC／DC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。

2.2 放大电路

电路的目的是把传感器产生的微弱电信号放大［6］。变成适合 AC／DC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，见图3。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。

图3 放大电路

2.3 主控制器和外围电路

系统主控制器（见图4）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［7］。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和分析任务，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。

2.4 系统软件模型

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。如图5所示，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，从该时刻到被测试者脱离踏板，这个时间记为起跳时间，全程最大值记为最大弹力。通过实际测得的2个典型弹力对时间（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。

此外，从实测图像中，我们还能发现一个问题，尽管系统采用了电池供电，但仍然无法避免来自外界的干扰，造成很多干扰夹杂在数据中，因此在处理数据之前，系统采用数字滤波算法，取均数等方法对原始数据进行处理，去除干扰，使测量更加精确［8］。

3 人体全身反应时间测量仪的应用

人体全身反应时间测量仪经过反复研制和测试，已经获得成功。其测试过程为：被测试人员站于弹跳测试台之上，装置在起始时刻发出起始信号，用于通知位于承重装置上表面的被测人员跳离所述承重装置。从所述起始时刻起，按时间顺序记录承重装置所承受的压力值及其对应的时刻，直至被测人员完全跳离所述承重装置为止。从所述起始时刻对应的压力值开始向后，判断各压力值是否满足反应准备条件，并将第一个满足所述反应准备条件的压力值的前一压力值作为反应准备压力值，用所述反应准备压力值对应的时刻减去所述起始时刻得到的时间差作为反应准备时间。其中，所述反应准备条件为压力值大于第一压力；从所述反应准备压力值开始向后，判断各压力值是否满足全身反应条件，并将第一个满足所述全身反应条件的压力值的前一压力值作为全身反应压力值，用所述全身反应压力值对应的时刻减去所述起始时刻得到的时间差作为全身反应时间。

图4 主控制器和外围电路

图5 系统软件模型

从被测人员全身反应时间的记录来看（见图6），从发出起始信号的起始时刻起，直至被测人员完全跳离承重装置为止，完整地记录了被测人员从看到起始信号到完全跳离承重装置而反应完成这一段时间对承重装置的压力值。从其反应过程来看，体重为80kg的被测人员在起始的0.01s时处于静止状态，此时系统反应的压力为被测者自身体重。随着系统信号变化，测试台记录下人体起跳过程准备阶段、起跳阶段和跳离阶段的反应压力变化。从图6可以看到：在0.34s时被试者处于准备起跳阶段，由于下肢的弯曲收缩使人体处于一定的失重状态，因此在该时段仪器所测得的压力要小于被试者的自身重力；随后测试者根据系统发出的信号准备起跳，仪器所测得的压力也快速上升，但在0.52s时压力曲线的小幅变化表明，被测者在起跳前有一定的调整动作；随后，测试仪纪录了被测者跳离测试平台时的最大力量190kg，约为被 测者自身体重的2.3倍。

图6 测试人员弹跳力变化图

从这一测试过程可以看到，被测人员在看到起始信号到神经系统支配身体肌肉发出动作这一段时间内，对承重装置的压力都小于第一压力这一压力临界值，而被测人员完全跳离承重装置之后，对承重装置的压力都不大于第二压力这一临界压力值。因此，仪器所提供的测试方法能够准确地确定被测人员的神经系统支配身体肌肉发出动作的时刻以及完全跳离承重装置的时刻，从而可以在准确确定人体全身反应时间的基础上，进一步准确确定从被测人员看到起始信号开始到神经系统支配肌肉发出动作这一段反应准备时间。

本仪器经过大范围连续使用和反复检测，结果显示人体全身反应时间测试仪所获得的数据真实、性能稳定。仪器携带方便、操作简单、使用安全，可适用于不同环境和不同等级运动员以及普通人群人体全身反应时间测试。工作参数为最大载荷200kg、载荷分辨率0.2 kg、最小分辨时间0.01s、工作温度0～60℃。目前，该人体全身反应时间测量仪已经获得国家发明专利1项和国家实用新型专利1项。该仪器对2010级、2011级哈尔滨师范大学公共体育教学的学生、体育专业教学的学生和黑龙江省2010年少年田径比赛的专业运动员进行了测试，测试人群达到783人。结果表明，不同人群和不同等级的运动员人体全身反应时间差异显著、测试效果明显，说明人体全身反应时间测量仪的研制是非常成功的。人体全身反应时间测量仪的研制成功，能够有效地解决人体全身反应时间测量在实验教学和科研上应用的稳定性和有效性问题。这将为相关技术进一步推广应用和学生、专业运动员等体质健康、技能测试等实验中心的建设提供技术支持［9］。

4 结束语

人体全身反应时间测量仪经过反复研制与测试，已经解决了整体构造设计、内部设置结构的功能与安全问题，并获得了国家发明专利和国家实用新型专利保护。该仪器经过反复多次对人的全身简单反应时间、选择反应时间和辨别反应时间测试实验教学的应用，表明整机使用性能稳定，操作方便，安全实用。实验数据采集准确，测量方法简便，测量效率较高，适用人群较广，能够为运动员竞技运动训练和群众体育休闲健身提供科学练习的指导依据，已达到了项目的预期目标。

（References）

［1］Richard A Magill.运动技能学习与控制［M］.张忠秋，译.北京：中国轻工业出版社，2006.

［2］张友琴，王萍，朱昌平，等.以大学生创新性实验计划为契机培养创新人才［J］.实验技术与管理，2011，28（7）：167－170.

［3］张富贵，黄海松，吕敬堂，等.单片机设计性实验与工程能力的培养［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：135－138.

［4］冯翠菊，蔡莉莉.以研究式实验教学培养创新人才［J］.实验室研究与探索，2011，30（5）：75－76.

［5］王霞萍.纳米技术在体育生物科学应用中的研究展望［J］.西安体育学院学报，2002，19（4）：54－55.

［6］张爱华，于忠党.电路实验结果的机器评价研究［J］.实验技术与管理，2010，27（3）：46－49.

［7］欧伟明.基于FPGA和MCU的200通道A／D转换器的设计［J］.电子器件，2007，30（4）：1234－1238.

［8］姜乃卓，陈孝桢.微弱周期信号频率检测的一种改进方法［J］.实验技术与管理，2009，26（8）：32－35.

［9］高俊，陶成，马静岩.学生体质健康综合实验中心的建设与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（10）：129－131，138.