基于单片机的运动地板震动吸收测量仪及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于运动地板质量检测的技术领域，具体涉及一种基于单片机的运动地板 震动吸收测量仪及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着中国竞技体育与全民健身运动的迅猛发展，目前在全国各地，体育场馆的建 设数量与日倶增，档次也越来越高，而运动地板作为体育场馆的一个最基本的功能单元，对 体育场馆的建设起着至关重要的作用。
[0003] 目前，中国一些体育基础设施与世界先进水准相比还存在不小的差距，运动地板 就是其中之一。运动地板在中国尚处于初级发展阶段。其表现在以下几个主要方面：中国至 今尚未制订和颁布运动地板国家标准，这就意味着国内的运动地板生产制造厂家在产品的 设计开发、生产制造、质量控制和质量检验等重要方面均无标准可依；即使暂时参照或借鉴 运动地板的国际标准(如德国DIN18032标准），生产企业也因缺少十分完善的检测设备和手 段，从而会直接影响到运动地板的生产、检验和质量控制。
[0004] 为了使运动员达到最佳竞技状态，促进体育成绩的提高，运动地板要求具有运动、 保护及技术三大基本功能，其检测标准主要包括:震动吸收、能量吸收、振动变形、滚动负 荷、摩擦系数、球体反弹等六项指标。
[0005] 上述测试指标中，震动吸收系数用于测试运动地板的最关键功能:吸收冲力，形成 缓冲，避免运动员落地时受地面反作用力而引起的伤害。主要衡量运动员弹跳回落到运动 地板上后，地板表面对冲击力的吸收能力，表征的是对冲击力的衰减和阻止。指标要求冲力 吸收大于等于53%。即：运动员跳起回落到地板时，最起码要有53%以上的冲击量被地板 所吸收，从而起到保护运动员的踝关节、半月板、脊髓、大脑的作用。
[0006] 震动吸收系数测试原理:一个标准重物通过自由落体运动落在一个弹簧上，该弹 簧的下端铺设有运动地板测试样品，试验过程中其最大冲击力值将被记录下来，该冲击力 值与在坚硬地板表面(通常为水泥地板表面)冲击力的比值即反映了运动地板表面的震动 吸收能力。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种结构新颖、利用单片机完成运动地板震动吸 收系数测量的运动地板震动吸收测量仪。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0009] 基于单片机的运动地板震动吸收测量仪，包括震动吸收测试机架、测试控制盒、 LCD操作显示面板。震动吸收测试机架包括测试基座，测试基座上安装有竖向设置的滑动 柱，一铁磁性落锤安装在滑动柱上并能沿着滑动柱上下滑动，测试基座上部还安装有直流 电磁铁，直流电磁铁通电时能将落锤吸住，落锤的正下方设置有震动测力装置，震动测力装 置由上至下依次设置有圆头上盘、弹簧、测力传感器以及圆头下盘，震动测力装置可沿光滑 导管上下活动，当直流电磁铁断电时，落锤能自由下落撞击圆头上盘，使弹簧压缩，圆头下 盘撞击被测试件，测力传感器能实时测量冲击力大小，并将其转换为电阻信号，测力传感器 与测试控制盒连接并将一组电阻信号传递过去。
[0010]测试控制盒中设置有信号调理电路，信号调理电路与测试机架中的测力传感器相 连，接收与冲击力相关的一组四个桥路电阻的变化，信号调理电路由XTR106桥路激励芯片、 RCV420电流-电压转换芯片及低噪声低漂移运算放大器芯片构成，分别用于将从测力传感 器接收的桥路电阻信号变换成4-20mA电流信号，再进行电流-电压变换，最后转换为与A/D 转换芯片相匹配的电压输出。
[0011]测试控制盒中设置有单片机作为测试系统的控制核心，借助测控软件完成所有的 数据采集、数据滤波、震动吸收系统计算以及人机界面管理功能，单片机控制高速A/D转换 芯片进行数据采集，以获得与冲击力相关的测试信号，测试控制盒中安装有24V开关电源， 为控制盒及直流电磁铁提供工作电源，测试控制盒还设置有DC-DC模块用于将24V输入电源 隔离变换为±12V及3.3V，为测试控制盒内各芯片供电，同时起到干扰抑制功能，单片机还 与LCD操作显示面板相连，以实现人机接口控制。
[0012] IXD操作显示面板中包括有320X64点阵的LCD显示屏，用于对测试结果及操作信 息进行显示，IXD操作显示面板中还包括一组操作按钮，用于控制测试过程的启动、震动吸 收系数的计算以及当前是被测地板还是参考地面的选择，LCD操作显示面板中还包括一组 操作指示灯，用于指示当前系统的工作状态、所选的板型及报警状态。
[0013] 测试基座还设置有三脚架，三脚架上设有连接装置，以便当运输或储存过程中，可 将三脚架与测试基座分离，以减少占地面积，三脚架上还设有固定装置，用于测试基座的固 定，固定装置上装有调节装置，调节装置能调节测试基座的高度及水平度。
[0014] 落锤上部设置有位置调节装置，位置调节装置能调节落锤的初始高度，以适应不 同厚度被测件的需要。
[0015] 本测量仪的基本测试方法如下：
[0016] ?测量仪的一个重要组成部件是重力落锤，测试前使用直流电磁铁的电磁作用 力将其吸住，按下启动按钮后在单片机的控制下释放电磁作用，使重力落锤沿滑动柱下落， 依次撞击圆头上盘，使弹簧压缩，圆头下盘撞击被测试件，测力传感器采用应变或相似的原 理工作，能实时测量冲击力大小，并将其转换为一组电阻信号，该信号再经由测试控制盒中 信号调理电路变换为0-2.5V电压信号，再送入高速A/D转换芯片，在单片机的控制下完成数 据采集。
[0017] ?单片机对上述采样数据实施中位值非线性滤波以及Butterworth低通滤波处理 后，捕获上述各作用力的峰值，最后据此计算出冲力吸收的比值，即可获得待测的震动吸收 系数。
[0018] ?震动吸收系数值计算方法:取若干次在被测地板及参考硬质地面上测得的结果 进行简单算术平均，再按下式计算待测运动地板样本的震动吸收系数值。
[0020]其中：
[0021] KArrf:所测量地板震动吸收参数的参考结果，用百分比％表示
[0022] Fmaxl:作用于被测运动地板上的最大冲击力值，用牛顿N表示
[0023] Fmax2:作用于坚硬地面(如水泥地面)上的最大冲击力值，用牛顿N表示
[0024] 另:震动吸收参数值以整数的方式表示。
[0025] 运动地板对体育场馆的建设起着至关重要的作用，生产与使用中需要相应的检测 手段进行质量监控。运动地板检测标准中最核心的是震动吸收系数的测试。
[0026] 本发明给出了一种基于单片机的震动吸收测试仪设计方案。本发明由测试机架、 测试控制盒、LCD操作显示面板组成。测试机架控制重锤将作用力施加到被测运动地板或参 比坚硬地面上;机架内的测力传感器将被测作用力转换成电阻信号后传送至以单片机为控 制核心的测试控制盒，在测试控制盒中首先将电阻信号转换成标准电压信号，再经高速A/D 采样及数字滤波，随后捕获冲击力的最大值，最后据此完成震动吸收系数的测定;LCD操作 显示面板则提供了一种简易的人机界面，以实现测试过程的操控及测量结果的显示。
[0027] 本发明利用精心设计的小型测试机架，以单片机为控制核心，实现对运动地板震 动吸收系数的测试，本装置结构简单，可为运动地板的生产、测试及使用企业提供一种简单 有效的测试工具。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的基于单片机的运动地板震动吸收测量仪的测试机架结构示意图。
[0029] 图2为本发明的基于单片机的运动地板震动吸收测量仪的电路结构示意图。
[0030] 图3为Buttenrorth滤波器不同阶次下的幅频特性曲线示意图。
[0031 ]图4为本发明中所设计的数字滤波器的幅频特性曲