弘光人文社會學報第 10 期 電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 蘇榮基國立勤益科技大學體育室王圳木國立勤益科技大學資訊工程系洪彰鴻國立勤益科技大學休閒產業管理系 摘要 體適能的檢測與評量在體適能相關政策或活動的推展上, 扮演重要的角色 目前市面上的體適能檢測儀器, 大多單價過高, 造成無法普及的情形 本研究的目的即是針對體適能檢測的仰臥起坐項目, 設計簡易而平價的器材 它主要是結合邏輯電路與感應器原理配合機械機構進行仰臥起坐的偵測, 並由顯示器顯示測驗成績 整個過程都由電路與感應器來完成, 它可取代傳統人工檢測, 節省人力, 避免人為錯誤, 提高準確率 關鍵詞 : 體適能 仰臥起坐 體適能檢測 體適能檢測器材 233
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 壹 前言運動可以幫助一個人發展更強壯的骨骼, 更積極的心理態度, 較佳的循環, 以及更能防止心臟血管疾病, 然而由於經濟型態與社會結構的急遽轉變, 現代人生活在科技化 資訊化與都市化的環境中, 由於依附外在的事物愈來愈多, 加上靜態式或坐式的生活型態也逐漸的增加, 人們身體的活動量減少了, 另一方面由於現代人處在一個高度競爭及繁忙的步調中, 生活壓力逐漸加大, 這些原因使得個體與生俱來所具備的能力也相對減弱, 導致疾病的發生年齡逐漸年輕化, 一些慢性疾病發生率也逐漸提高 這樣的情形, 不但嚴重影響個人生活品質, 增加社會醫療經費付擔, 也阻礙了國家整體競爭力 ( 林晉榮,2002; 陳鴻文,2003) 國內外許多文獻提及工作場所的運動與體適能計劃, 對健康促進的益處, 如以心臟病之死亡率來說, 運動量每週 2000kcal 以上者, 比每週 500kcal 以下者要低, 癌症及呼吸系統疾病亦有相同的趨勢 (Paffenbarger et al., 1984;Hammod & Gerfinkel, 1979); 未參加運動與體適能計劃者每年所需要的醫療費用較參加者多, 因生病請假的時數亦顯著增加 (Hoeger,1989); 而如有健康體能的介入, 則在體脂肪百分比 腰臀圍比 腹肌耐力 心肺循環適能等均有明顯的改善 ( 林麗鳳,1993; 龍田種,1995) 從以上的種種數據顯示現代文明病, 如高血壓 肥胖 心血管疾病 糖尿病 下背痛 骨質疏鬆症等, 都與現代人缺乏運動有相當程度的關係 且垃圾食物充斥市面, 營養過剩造成國人愈來愈肥胖, 許多文獻及醫學報告皆證明運動是控制體重的方法之一, 而且藉由規律的運動可以改善或保持好的健康體能 (Health-related Physical Fitness), 進一步有益於個人整體健康的維護, 是健康促進領域中重要的一環 先進國家如美國其公元二千年的國家健康目標 Healthy People 2000 中即明列 身體活動與體能 (Physical Activity and Fitness) 為重要目標之一 而英國也在其國家健康白皮書 The Health of the Nation 中提出促進其國民重視運動與體能之政策性做法 足見重視運動與健康體能之時代趨勢 我國近年來亦在教育部努力推動下, 正逐次展開國民健康體能推廣工作, 而行政院衛生署亦以提昇國民健康體能為國民保健計畫之重點項目之一 ( 卓俊辰,2001) 234
弘光人文社會學報第 10 期 綜合以上專家學者的論述可知, 健康體適能是指個人對於生活中活動的能力, 其發展目的在維持健康 改善健康, 並將健康提升到很好的水準 ; 在內容方面則因個別需求的不同而有所差異, 但不管是健康體適能或競技體適能, 彼此之間的體適能要素仍有交集存在, 必須藉由運動訓練才能獲得改善 教育部 (1997) 與行政院衛生署, 將健康體適能要素中的肌力 肌耐力 柔軟度 心肺耐力 身體組成及競技體適能的瞬發力, 定為我國高中 國中 小學體適能的檢測項目要素 然而國人的體適能檢測結果與其他國相比, 似乎有待加強 根據教育部 (2001) 的資料指出 : 世界各國民眾的規律運動情形如下 : 我國大專學生 18% 我國民眾 25% 韓國民眾 38.8% 日本民眾 60% 法國民眾 73.7% 美國民眾 67%, 而和其他國家的學生體適能檢測結果相比, 我國中小學體適能較美國 日本 新加坡 大陸差 ; 而大專學生體適能也比美國 日本 新加坡 大陸差 由上述資料可知我國民眾與學生的體適能皆有待改善 體適能的衰退, 不僅會影響個人的生活品質, 也會增加社會醫療的負擔更阻礙了國家競爭力的發展 有鑑於此, 教育部積極提倡各種體適能的方案與措施 ; 民國 88 年, 教育部為了提升全國中小學生的體適能及養成規律的運動習慣, 實施了 提升學生體適能中程計畫 (333 計畫 ); 接著在 89 學年度下學期開始在全國中小學全面推廣 學生體適能護照 此外, 教育部於民國 84 年制訂 中華民國學生體能檢測手冊, 並著手建立全國八至二十三歲在學學生適能常模, 藉以瞭解我國青年學生的體適能狀況, 並作為改進國人體適能計畫的主要依據 由上述這麼多的體適能相關活動或政策之推展, 可見政府對國民健康體適能的重視, 而體適能的檢測, 又是這些活動或政策推動上, 評量體適能好壞的唯一方式, 所以體適能檢測的重要性, 不言可喻 回顧教育部在推展國民體適能檢測的初期, 檢測的過程採人工方式進行 最初是從學校開始, 因同一時間接受檢測人的數眾多, 所以通常都是以四個檢測項目分成四個站, 學員分成數組, 由教師帶領至各分站實施檢測, 檢測完畢後, 各項檢測資料以人工登錄並加上相關基本資料, 經過彙整後, 再以人工方式膳打入電腦中, 進行簡單的統計 採用人工方式進行檢測, 有幾項缺點尚待改進, 第一點 : 檢測坐姿體前彎時, 235
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 依規定受測者雙手中指指尖位置需停留二秒在檢測尺規上 然而一般傳統尺規又因刻度不明顯, 經常無法精確判定測驗值 第二點 : 檢測 1 分鐘屈膝仰臥起坐時, 人工計次的方式常因不留意就少算數次 第三點 : 3 分鐘登階測驗常因調整節拍器或播放錄音帶, 而產生中斷或其他不便 第四點 : 因個人主觀認定上的差異, 多少會有檢測標準不一致的現象, 而影響檢測成績的客觀性 ( 邱靖華,2005; 蘇榮基,2002) 而體適能檢測已實施多年, 也有多家業者販售相關檢測儀器, 惟這些產品有的單價過於昂貴, 有的因為不是針對我國教育部指定的項目所開發, 所以功能雖多, 但不合用, 且單價貴, 有的雖價位不貴但穩定性卻不足 ( 蘇榮基,2006; 科正有限公司,2009; 武田國際,2009) 綜合以上所述, 可知體適能檢測對體適能相關活動推展的重要性, 以及使用人工檢測體適能所無法避免的缺點, 而目前市面上的體適能產品又存在一些問題, 因此, 本研究的研究動機即是嘗試結合學校的體育運動專業及資訊 機電工程專業, 開發合適的體適能檢測的電子儀器, 為國內的體適能檢測器材貢獻一份心力 而依據上述的研究動機, 本研究的研究目的即是開發低單價的電子式仰臥起坐檢測系統, 使檢測儀器能普及化, 檢測數據能更加客觀 貳 文獻探討一 體適能的定義美國運動醫學會 (ACSM) 認為體適能的構成要素為心肺適能 肌肉適能 柔軟性及身體組成等四部分, 說明如下 : ( 一 ) 心肺適能心肺適能通常被認為是健康體適能 (Health-related Physical Fitness) 要素中最重要的一項 它所代表的是身體整體氧氣供輸系統 (Oxygen Supply System) 能力的優劣 具體而言, 其所涉及的範圍包括 : 肺呼吸 心臟以及血循環系統的機能 因此, 在健康上特別受到重視 心肺適能有時又稱為心血管循環耐力 (Cardiovascular Endurance) 心肺耐力 (Cardio-respiratory Capacity) 循環適能(Circulatory Fitness) 或有氧適能 (Aerobic Fitness) 等, 其內容大致是相同的 236
弘光人文社會學報第 10 期 ( 二 ) 肌肉適能 肌力與肌耐力肌肉適能主要包括肌肉的兩大能力, 一是肌力 (Muscular Strength), 一是肌耐力 (Muscular Endurance) 由於都是以身體的肌肉為主體, 故合稱為肌肉適能 肌力表示肌肉一次所能產生的最大力量 而肌耐力則是肌肉承受某種適當的負荷時, 視肌肉運動反覆次數的多寡或持續運動時間的長短為代表 ( 三 ) 柔軟性柔軟性指的就是關節的可動範圍 (Range of Motion) 柔軟性在體適能的要素裡, 常常被忽略了 : 通常, 以為比賽選手才需要有好的柔軟性, 而一般人則不需要, 這是錯誤的看法 雖然我們目前尚無法很精確地指出柔軟性到底要多好才符合標準, 但是很重要的觀念與做法就是任何人在他的人生過程中, 絕對不能因歲月年齡的增加而讓關節變得愈來愈僵硬 ( 四 ) 身體組成 身體脂肪百分比隨著物質生活條件的改變, 肥胖 (Obesity) 的問題也愈來愈嚴重了 對國人的健康造成另一項新的威脅 多餘的脂肪堆積, 體重增加, 心臟的負荷隨著增加, 影響散熱能力 活動時較容易疲勞, 血脂可能較高, 與心臟病 高血壓 糖尿病等症狀有密切的關係 ; 動作也會較為笨拙, 影響協調性 此外過度肥胖也會對心理造成不良影響 卓俊辰 (1992) 則指出, 好的體適能就是人的心臟 血管 肺臟及肌肉組織等都能發揮相當有效的機能, 也就是能勝任日常工作, 有餘力享受休閒娛樂生活, 又可以應付突發緊急狀況的身體能力 其將健康體適能 (Health-related fitness) 的要素分成有肌肉力量 肌肉耐力 柔軟性 心血管循環耐力及身體脂肪百分比等五大要素 而敏捷性 平衡感 協調能力 速度 反應時間 瞬發力則被列為競技體適能 (Skill-related fitness) 要素 方進隆 (1993) 也指出, 體適能是由身體幾組或幾種不同特質的體能所構成, 而這些體能與從事日常生活或身體活動的品質或能力有關 體適能較佳者, 較有活力完成每天的工作, 常感到活力充沛, 精神飽滿, 亦可參與隨興發起的活動, 或應付偶發事情而不會力不從心 其談到的 237
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 健康體能包括 : 有氧適能 ( 心肺耐力 ) 肌肉適能( 肌力與肌耐力 ) 柔軟度 身體組成等四大要素 Corbin(1991) 在健康體適能的內容上, 做了以下四種定義 : ( 一 ) 身體組成 : 是指身體的肌肉 脂肪 骨骼 與其他組織的相對百分比 健康男性的體脂肪大約佔 10 % 20 %; 女性約 18 % 25 % ( 二 ) 心肺耐力 : 是指心臟 血管 血液 與呼吸系統供應氧氣到肌肉以維持運動的能力 健康的人, 在適當的運動強度下, 能進行較長時間的活動 ( 三 ) 柔軟度 : 是指身體關節可活動的角度, 他會因肌肉的長度, 關節的結構而有所不同 健康的人, 能使關節活動的角度更加伸展 ( 四 ) 肌肉耐力 : 是指肌肉重複使力的能力 健康的人, 較能重複進行長時間的動作, 不會讓疲勞提早出現 Gallahue(1996) 指出健康體適能是指存在的身體相關狀態, 而不是指一種才能 技巧或能力, 其發展與維持, 是一種身體對外在增加的超負荷, 所產生的生理適應功能, 因此, 健康體適能是會隨著使用或廢棄而產生變化的 其對體適能的廣義定義是指 : 能勝任日常工作而不勞累, 並有餘力從事休閒活動或應付緊急所需 而對體適能的狹義定義是指 : 因所從事的規律且充足的身體活動及均衡營養與遺傳體格等的影響, 而呈現出來的健康愉快狀態 其將肌力 肌耐力 柔軟度 心肺耐力 身體組成歸為健康體適能的基本要素 綜合以上專家學者的論述可知, 健康體適能是指個人對於生活中活動的能力, 其發展目的在維持健康 改善健康, 並將健康提升到很好的水準 ; 在內容方面則因個別需求的不同而有所差異, 但不管是健康體適能或競技體適能, 彼此之間的體適能要素仍有交集存在, 必須藉由運動訓練才能獲得改善 教育部 (1997) 與行政院衛生署, 將健康體適能要素中的肌力 肌耐力 柔軟度 心肺耐力 身體組成及競技體適能的瞬發力, 定為我國高中 國中 小學體適能的檢測項目要素 238
弘光人文社會學報第 10 期 二 體適能檢測制度 ( 一 ) 美國的體適能檢測制度美國是最重視國民體能及研究的國家, 其體適能的發展,1920 年代以前, 尚未出現組合測驗, 僅針對肌力做單項的測驗 1930 年代開始有測血壓和肌力的組合測驗, 到 1954 年時,Kraus 和他的研究團隊發展兒童小肌肉體適能的測驗, 在美國竟然高達 87 %的人無法通過, 而同樣的測驗在歐洲只有 8 %的人無法通過(Kraus & Hirschland, 1954), 引起艾森豪總統的高度關切, 於是成立了體育諮詢委員會, 在同一時期也成立美國體育健康休閒協會 (AAHPER), 促進美國國民的體適能 ( 許伯陽, 2002; 王錠堯,2004) 美國體適能檢測的制度化, 源自 1958 年美國體育健康休閒協會 (AAHPER) 所提出美國青年體適能檢測 (AAHPER youth fitness test), 而後經歷 1965 年 1975 年 1980 年和 1988 年的四次較大的修改後, 方得美國政府的教育當局的認可, 成為美國最具有影響力的體適能檢測制度, 並建立施測項目的評分標準, 以判定健康情形 觀察美國及其它國家的基本運動能力與體能測驗, 測驗項目似乎有逐漸減少與簡單易行的趨向, 特別是在 1980 年以後, 幾乎所有的體能測驗制度都相當重視健康體能 ( 心肺適能 肌肉適能 柔軟度 身體組成 ) 的評量, 而對於有關基本運動能力 ( 敏捷 協調 平衡 速度 反應與瞬發 ) 的測驗, 則似乎有逐漸減少與保留的趨向 最早的美國青年體能測驗, 包括引體向上 仰臥起坐 立定跳遠 折返跑 50 碼衝刺 壘球擲遠與 600 碼跑步等七項, 用來測驗人體的上肢肌力 腹肌耐力 瞬發 敏捷 速度 協調與心肺耐力等七種身體能力 後來,AAHPER 分別在 1965 年與 1975 年兩度修正測驗的項目與方法 1980 年 AAHPERD 則將體能的檢測項目, 由健康體能的心肺適能 肌肉適能 柔軟度 以及身體組成等四項所取代, 檢測的方法分別為 1 英哩或 9 分鐘跑 1 分鐘仰臥起坐 ( 屈膝 雙手抱胸 ) 坐姿體前彎 皮脂厚總和 ( 肱三頭肌與肩胛下方 ) 等四項 AAHPER 隨後又於 1988 年再次修訂體適能檢測項目, 修訂後的項目為 :1600 公尺跑走 皮脂厚與 BMI 仰臥起坐 引體向上等 239
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 1980 年以後的一些體能檢測制度, 皆與 AAHPERD 所提出的健康體能檢測制度相差不遠, 包括 AAHPERD Fitness Best (1988) The President's Challenge (1987, 包含 4 10m 折返跑的敏捷能力測驗, 不評量身體組成 ) YMCA Physical Fitness Test (1989) Amateur Athletic Union Physical Fitness Program (1991, 不評量身體組成 ) Prudential Fitness gram (1992) Cooper 青少年體能測驗 (1992) 香港體能常模測驗(1998) ACSM Fitness Test (1998) 目前為許多國家所參考的體適能檢測制度, 為美國運動醫學會於 (ACSM)1992 所訂定體適能檢測制度, 其檢測項目為 : 一英哩跑 伏地挺身 修正坐姿體前彎 身體質量指數 (BMI) 等項目 ( 二 ) 我國的體適能檢測制度台灣最早的體適能檢測, 是在民國 50 年與日本 琉球同時舉行, 依據的是美國青年適能手冊 (American youth fitness manual) 民國 58 年我國政府正式進行 25 歲以上國民體適能檢測, 項目有 :50 公尺快跑 立定跳遠 伏地挺身 40 公尺折返跑 教育部為鼓勵國民從事運動 促進健康 厚植國力 提高體能, 特別於民國 67 年初, 委託國立台彎師範大學體育學系規劃體能測驗項目 方法及獎章類別 而後經過多次修正後於於 84 年公佈 中華民國國民體能測驗項目 測驗項目為 800 公尺跑走 ( 女 ) 或 1600 公尺跑走 ( 男 ) 一分鐘屈膝仰臥起坐 立定跳遠 坐姿體前彎 身體質量指數等 5 項, 確立了目前實施體能檢測的內容 三 我國體適能檢測儀器概況本研究所稱之體適能檢測係指教育部於九十年度施行 學生體適能護照全面辦理計畫 所規定的內容, 其規定的適能檢測項目包括 : 一分鐘屈膝仰臥起坐 ( 肌耐力 ) 立定跳遠( 肌力 ) 坐姿體前彎( 柔軟度 ) 身體質量指數( 身體組成 ) 及 800/1600 公尺跑走 / 三分鐘登階測驗 ( 心肺耐力 )( 教育部,2007) 教育部所規定的適能檢測項目中, 身體質量指數 ( 身體組成 ) 這個檢測項目, 係因為身體質量指數 (BMI)= 體重 ( 公斤 )/ 身高 2 ( 公尺 ), 所以檢測器材只需身高體重計即可 因此, 一般所指的體適能檢測器材, 是指檢測坐姿體前彎 立定跳遠 三分鐘登階及仰臥起坐等項目的器材 240
弘光人文社會學報第 10 期 蘇榮基 (2009) 針對國內體適能檢測器材所做的研究指出 : ( 一 ) 利用人工檢測並記錄的模式, 其檢測所需要的器材, 產品的開發已經很成熟了 但標榜電子自動化擷取的檢測系統, 是目前廠商仍在努力的方向, 使產品成本壓低更具競爭力, 產品的功能更強及更人性化 ( 二 ) 整體而言, 體適能檢測的硬體, 進口產品的技術面較為成熟, 惟皆屬以 IC 卡記錄成績的單機模式, 即一個項目一台機器, 不過在立定跳遠部份及蹬階測驗後脈搏的量測, 兩個檢測項目的資料自動擷取系統似乎還未開發完成, 其價位非常高 而國人研發的系統, 則除了與進口產品有相同的問題外, 在資料的自動擷取方面功能尚缺, 勉強算是半自動, 因成績雖利用儀器測量, 但無法直接與軟體連結, 故還需人工將資料謄打入電腦才能分析 邱靖華 (2005) 指出, 過去大多採用人工方式進行檢測, 發現幾項缺點尚待改進, 第一點 : 檢測坐姿體前彎時, 依規定受測者雙手中指指尖位置需停留二秒在檢測尺規上 然而一般傳統尺規又因刻度不明顯, 經常無法精確判定測驗值 第二點 : 檢測 1 分鐘屈膝仰臥起坐時, 人工計次的方式常因不留意就少算數次 第三點 :3 分鐘登階測驗常因調整節拍器或播放錄音帶, 而產生中斷或其他不便 基於上述的缺點及不便, 促使邱靖華 (2005) 研發更為簡便之自動型體適能檢測系統, 其所研發的自動型體適能檢測系統裝置, 包括電腦操作台, 設置有供受測者觀看之螢幕, 並將音箱 螢幕與電腦構成連線 電腦操作台前端置一檢測台, 測驗台上設固定的兩個倒 U 型環, 提供測驗 1 分鐘屈膝仰臥起坐 位於兩 U 型環間設置有一道活動尺規, 內設感應滑軌, 與一個 L 型滑塊, 滑塊設有測知滑動長度距離的齒輪感應器, 提供坐姿體前彎的檢測, 測驗時會在測驗台上前側電子板顯示滑動數據 測驗台上設有一層軟墊, 兩側分別設有一反射鏡, 以及反射鏡相對應的光電式計數器, 用於計次 1 分鐘屈膝仰臥起坐 測驗 1 分鐘屈膝仰臥起坐時, 測驗台上前側有電子板會顯示計次數據 置於測驗台末端的登階箱, 高度 35 公分, 作為測驗 3 分鐘登階的測驗工具 以上獨立研發的例子, 殊為不易, 筆者受到其啟發, 也開始了開發體適能器材的計劃 台灣有非常成熟的電子與資訊產業, 運動健身器 241
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 材的產值也有非常亮眼的成績 ( 喬山,2002; 熊正誼,2000), 如果能利用此優勢, 加上政府近年來所大力推展, 產業界與學界的產學合作, 一定會有不錯的成果呈現 因此, 本研究嘗試結合學校的體育運動專業及資訊 機電工程專業, 開發合適的體適能檢測的電子儀器 四 紅外線的應用本研究開發的電子式仰臥起坐檢測系統, 是利用紅外線感測器來進行對於仰臥起坐偵測, 而目前, 以無線應用的領域來說可以說是相當地廣泛, 就以我們生活中幾乎不可缺少的電視機為例, 現在已經難得看到未配備紅外線遙控器的電視機了, 再者, 目前我們所收視的三台, 也都是透過無線電波傳輸的 ; 還有汽車或是機車的遙控防盜器也是 ; 光發射器其實只是一般所說的 LED, 接收器則為光電二極體或光電晶體 目前在用的紅外線光電元件, 主要所發出的光源和所能接受收光源的波位長位於紅外線區間其波長約 800nm~1200nm 使用方法和光電元件並沒有差別, 只是要當遙控器時, 電源為乾電池, 必須設法減低電能的消耗, 又想遙控距離能遠一點, 則又必須設法增加發射能量或提高接收靈敏度 再則背景光源干擾, 必須設法消除 當沒有使用編碼器和解碼器的時候, 就成了單一按鍵的紅外線控制開關 ( 單鍵紅外線遙控器 ) 如果使用編 解碼 IC 的時候, 就能做成電視機一樣的遙控器 ( 多鍵紅外線遙控電路 ) ( 張志禮 張宜權,1998; 盧明智 許陳鑑,2002) 紅外線裝置主要應用在電視遙控等無線控制以及無線通訊的資料傳輸等方面 與過去的超音波, 無線電遙控比較, 紅外線裝置有以下的優點 : ( 一 ) 不會有杜卜勒效應造成的錯誤動作, 因此在多頻組態時, 頻道間不會有 漏訊 現象 ( 二 ) 反應速度極快, 且功率消耗低,IR 的傳輸器及接收器可完全製成手提式 ( 三 ) 電路較為簡單, 大多數電路只需少數 IC 加極少的外部元件即可組成 ( 四 ) 不會對動物造成傷害 ( 五 ) 價格便宜 紅外線電路的應用可分成發射器與接收器分隔兩地相對或發射器與接收器在同一側兩種 如圖 1 紅外線的應用方式圖所示 242
弘光人文社會學報第 10 期 圖 1(a) 的方式是應用在 : ( 一 ) 紅外線持續發射時, 當作障礙物檢出, 如有物體通過發射與接收之間時, 輸出端可得到一脈波信號, 此信號可送至為電腦之 I/O 接收端, 由微電腦處理, 可做防盜器或技術器使用 本研究將使用此結構 ( 二 ) 利用開關控制紅外線發射時, 即作為遙控器使用, 其輸出ㄧ樣可以由微電腦處理, 進而做各種的應用 圖 1(b) 的方式是利用反射的方式, 可作為物體偵測, 或近接開關, 譬如電腦鼠的感測方式就是採用這一種 (a) (b) 圖 1. 紅外線的應用方式圖 參 研究方法本研究是以電子電路 感測器及量測機構為主所開發之電子式體適能檢測系統, 以下將本研究的一 實驗設備 二 研究步驟 加以說明 一 實驗設備本研究電子式體適能檢測系統之仰臥起坐項目零件表, 詳如表 1 表 2 及表 3 共有三個最為主要的電路, 分別是紅外線發射器電路與紅外 243
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 線接收器電路, 用於偵測仰臥起坐 ; 顯示電路, 用於將計數的結果顯示 出來 在元件方面, 主要使用到紅外線發射器 接收器及遙控編 / 解碼 IC ( 一 ) 紅外線發射電路零件表 本研究紅外線發射電路零件, 如表 1 表 1. 本研究紅外線發射電路零件表 項目 名稱 規格 數量 1. IC HT-12E 1 2. IC 4011 1 3. 電晶體 2SC372 1 4. 電晶體 2222A 1 5. LED 紅色 1 6. 紅外線發射器 1 7. 精密可調電阻 1KΩ 1 8. 精密可調電阻 10KΩ 1 9. 陶磁電容 1000 pf 1 10. 陶磁電容 0.01μF 1 11. 電阻 330Ω 1 12. 電阻 1KΩ 1 13. 電阻 10kΩ 1 14. 電阻 750KΩ 1 15. IC 座 18PIN 1 16. IC 座 14PIN 1 ( 二 ) 紅外線接收電路零件表 本研究紅外線接收電路零件, 如表 2 表 2. 本研究紅外線接收電路零件表 項目 名稱 規格 數量 1. IC HT-12D 1 244
弘光人文社會學報第 10 期 2. IC 4011 1 3. IC 2904 1 4. LED 紅色 1 5. 紅外線接收器 SE-8T11A 1 6. 電阻 330Ω 1 7. 電阻 1kΩ 2 8. 電阻 33KΩ 1 9. IC 座 18PIN 1 10. IC 座 14PIN 1 11. IC 座 8PIN 1 ( 三 ) 數位計數顯示電路零件表 本研究數位計數顯示電路零件, 如表 3 表 3. 本研究數位計數顯示電路零件表 項目 名稱 規格 數量 1. 七段顯示器 共陽 2.3 3 2. 電阻 100Ω 3 3. 電阻 4.7KΩ 1 4. IC 7447 3 5. IC 74192 3 6. IC 7404 1 7. IC 74157 1 8. IC 7805 1 9. 陶磁電容 1000 pf 3 10. 電解電容 470μF 1 11. 橋式整流 1 12. 變壓器 110V/9V 1 13. IC 座 16PIN 7 14. IC 座 14PIN 1 15. 電源線 110V 1 245
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 二 研究步驟本研究之研究步驟如下 : ( 一 ) 背景與文獻探討 : 在研究初期首先對背景以及相關文獻進行探討, 以確定本研究的方向以及研究價值 ( 二 ) 結構環境評估 : 研究方向確定後, 即針對相關的電子元件及平台結構進行評估, 選擇適合的電子元件及平台結構開發仰臥起坐檢測系統 ( 三 ) 初步測試 : 結構環境評估後後, 決定採用紅外線感測方式進行系統的開發, 即針對紅外線等元件進行初步的研究測試 ( 四 ) 問題分析 : 針對初步測試中所遭遇到的問題, 或是評估將來可能會發生的問題研擬可行的解決方案 ( 五 ) 系統雛型規劃設計 : 初期作業完成後, 開始規劃系統架構以及介面的雛形 ( 六 ) 系統開發 : 依據研究初期中所研擬的解決方案以及系統架構, 建立系統的雛形 ( 七 ) 系統評估與測試 : 經由實驗測試來評估系統的能力, 並進行細部功能的修正以及介面的呈現 ( 八 ) 系統完成 肆 電子式仰臥起坐檢測系統開發製作本研究所開發的電子式仰臥起坐檢測系統, 是利用紅外線感測器進行仰臥起坐偵測, 仰臥起坐感測器分兩部份, 一部分是紅外線發射端, 另一部份為紅外線接收端, 其發射端一直保持發送高電位之信號, 當有人體遮住時, 接收端就由高信號變成低信號, 接收端再將此信號送至數位顯示計數器來顯示 以下分成一 平台構造 二 元件學理基礎 三 電路配置 四 感測電路工作原理 五 系統測試與探討 等五部分, 加以敘述 一 平台構造本研究電子式仰臥起坐檢測平台的的大小為, 長 180cm 寬 60cm 246
弘光人文社會學報第 10 期 高約為 8cm, 其架構的基底是一片厚木板, 為了使用者的舒適感與平台的安全性, 在木板的上面加裝軟墊, 並在軟墊之上再平鋪一層草皮墊, 以增加美觀 在平台的前方設有兩塊鐵製的腳踏板, 可在測試坐姿體前彎時用來抵住雙腳, 並設置魔鬼氈來固定雙腳 接著在約人體的肩膀處的位置上, 將紅外線發射器與紅外線接收器放置於木板的兩側 最後將數位計數顯示電路置於木板的最右前方, 並將之鎖上固定於輕鋼架使其更為堅固 如此, 檢測平台即算完成, 如圖 2 所示 圖 2. 本研究電子式仰臥起坐檢測平台 二 元件學理基礎本研究電子式體適能檢測系統之仰臥起坐項目, 共有三個最為主要的電路個最為主要的電路, 分別是紅外線發射器與紅外線接收器, 用於偵測仰臥起坐 顯示電路, 用於將計數的結果顯示出來 在元件方面, 主要使用到紅外線發射器 接收器及遙控編 / 解碼 IC, 以下將對以上幾種元件學理基礎做簡單的介紹 247
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 ( 一 ) 紅外線發射器紅外線 LED 發光波長在 940nm 左右, 是以 GaAs 組成的二極體裝置, 當它被加上順向偏壓時, 就能發出紅外光, 其順向電壓約為 1.2V, 順向電流最大值一般可達 50mA, 有的甚至可到達 150mA, 其所工作的顺向電流越大, 所發出之紅外線越強 紅外線 LED 之逆向電壓值為 3~6V, 使用時需多加注意 ( 二 ) 紅外線接收器紅外線的接收部分可以採用紅外線接收二極體或光電晶體來使用, 紅外線接收二極體是一種光電二極體元件, 其對紅外線的反應靈敏, 當有紅外線照射時, 其二端阻抗下降 光電晶體也可以當作紅外線的接收器, 但其靈敏度及效果較差 本研究是使用紅外線接收二極體 ( 三 ) 遙控用編 / 解碼 IC HT-12E 是一顆 12 位元的編碼器, 可編碼多達 4096 種不同的碼, 並傳送出去, 傳送的媒介可為超音波 紅外線或無線電 在這 12 位元的資訊中, 高八位元當作地址信號, 低四位元為資料信號, 地址信號用來決定資料所傳送到的目的解碼器 HT-12D 是一顆解碼器, 能夠接收 12 位元的資訊, 其本身也有八位元的地址信號線及四位元的資料線, 當其所接收到的 12 位元資訊的高八位元與其地址信號所設定之值相同時, 才會將接收到的 12 位元資訊之低四位元資訊輸出在資料線上 因為地址線只有八位元, 所以 HT-12 系列作成的遙控器, 只能編出 256 組密碼, 具有相同地址值的遙控器, 就可以互相遙控 HT-12 系列的編 解碼器, 資料線有四位元, 可以接受 16 種不同的資訊, 在簡單的遙控控制上已綽綽有餘 當 HT-12D 所接收到的地址信號與其本身所設定之地址值不同時, 則不會將接收到的資料信號反應在資料線上 也就是遙控無效 所以, 使用上, 應將同一對的 HT-12D 及 HT-12E 之地址設定相同 三 電路配置紅外線發射器與紅外線接收器的電源皆是由數位計數顯示電路所提供, 而紅外線接收器在測試所得到的輸出信號, 則會輸入數位計數顯示電路 將數位計數顯示電路配置於木板的最右前方, 並在機殼之上設 248
弘光人文社會學報第 10 期 置一個重置開關與一個選擇開關 將紅外線發射器與紅外線接收器放置於木板的兩側, 由於考慮到距離數位計數顯示電路較遠, 於是利用較長多芯線來連接, 將多芯線沿著木板的四週, 連接到數位計數顯示電路, 因為有輕鋼架的保護, 所以無須擔心移動或使用時, 多芯線會被移動到 四 感測電路工作原理利用 HT-12E/HT-12D 與紅外線接收模組組成之紅外線遙控器電路, 如圖 3 與圖 4 HT-12E 的 DOUT 輸出信號經過由 4011 組成之不穩太多諧振盪器調變後, 驅動紅外線 LED 使其發射出脈波調變的紅外線 振盪器的輸出頻率需為 38KHz, 可以使用 VR1 可變電阻來調整 A0~A7(Pin 1~8) 是用於設定密碼值,D0~D3 為設定資料, 當設定好資料後, 可以將 TE (Pin 14) 接地,HT-12E 就將 A0~A7 與 D0~D3 的信號由 DOUT(Pin 17) 端傳送出去 在接收部分採用 SE-8T11A 紅外線接收模組來接收此經調變後之紅外線, 因為 SE-8T11A 的輸出信號與輸入紅外線信號相反, 所以其輸出端再經由 4011 組成的反向器後, 再將信號送給 HT-12D 的 DIN 輸入端 DIP 開關同樣是做密碼設定用, 須與發射電路設為一致, 才可接收, 於是在此專利中, 將兩者設定密碼的接腳都接地, 才可令電路產生作用, 再將接收到的信號經由 OPA 非反向放大器將信號放大, 以用來做後置的應用 249
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 圖 3. 本研究紅外線發射電路圖 圖 4. 本研究紅外線接收電路圖 250
弘光人文社會學報第 10 期 五 系統測試與探討本研究電子式仰臥起坐檢測系統的檢測方式, 檢測時將雙腳的腳底板抵住滑軌兩旁的三角鐵塊, 並利用魔鬼氈固定腳踝, 接著平躺於測試平台上, 最好可以讓雙肩置於紅外線發射器與紅外線接收器之間, 然後就可以開始做仰臥起坐, 結束後, 成績將顯示於右前方的數位計數顯示電路 本研究系統測試, 如圖 5 本研究系統測試實例圖所示 圖 5. 本研究系統測試實例圖 本研究電子式仰臥起坐檢測系統的研發過程, 歷經多次的測試與改進, 過程中也不斷遭遇許多問題, 以下分成七點說明本研究尚待解決的問題, 以及已解決的問題 ( 一 ) 原先希望可以完成一個廣角度 長距離傳輸的紅外線發射及接收器, 由於將重點放在資料傳輸上, 所以在距離延長及抗雜訊的功能上並未有良好的預期效果 ( 二 ) 研究過程中, 一開始最大的問題是無法接收到訊號, 需要花費較多的時間去檢查是電路問題或是外來光線干擾, 在後來由波形產生器 251
電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 產生的波形也都能順利傳到接收器而在示波器上顯現出來, 而目前則是已經可以成功的將數字從此端電腦傳送到彼端電腦, 在文字上則因為複雜性提高, 仍然有許多問題尚待克服 ( 三 ) 在傳輸數字的資料過程中, 會發現數字有時會意外的變化, 後來發現是光干擾所致, 雜訊致使封包傳送過程中發生錯誤, 但大致上傳輸的資料與所期望之數值皆相同 ( 四 ) 本研究所設定的數字範圍是從 0 至 255, 在此範圍的數字都能順利的傳到彼端電腦上 ( 五 ) 本研究最初是找到了一個可以感受人體溫度進而產生信號的電路來做實驗, 但是由於它是由感受溫度, 所以會受到個人體溫以及室溫等因素的影響, 造成電路的不穩定 於是轉而找尋其它可行的電路, 後來改由紅外線電路來代替, 但在實驗後發現一般市面上所賣的紅外線發射及接收的感應範圍太廣, 所以將紅外線發射及接收器的周圍以黑色膠袋包住, 讓紅外線的發射與感應範圍縮小, 能更準確的得到訊號 ( 六 ) 顯示電路是要用來接收訊號進而計數, 剛開始接收訊號時, 有計數不穩定的情況, 所以在電路上加入防彈跳電路, 可以使電路會更加穩定 ( 七 ) 將七段顯示器改用液晶顯示模組取代之, 可以讓平台顯示更多資訊, 如目前使用者名稱 操作模式 - 仰臥起坐 ( 可擴充新的項目如坐姿體前彎等 ) 儀器是否正常以及讓使用者了解測試的數據 五 結語教育部推展國民體適能相關活動多年, 而體適能檢測在相關活動的推展上, 是很重要的一環, 儀器的檢測可以避免人工檢測時的人為錯誤, 提高正確率, 但由於台灣的市場太小, 以致於無法吸引很多廠商的投入, 使得國內體適能檢測儀器並沒有太大的進展 本研究嘗試由產學合作的角度出發, 期盼能吸引更多學校研究人員與廠商的投入, 使有助於體適能活動的推展及產業界技術的提昇 而本研究所開發的電子式仰臥起坐檢測系統, 具有低價容易普及的優點, 目前也計劃開發多機一體的系統, 希望能更方便進行體適能的檢測 252
弘光人文社會學報第 10 期 中文部份 參考文獻 1. 方進隆 (1993) 健康體能理論與實際, 台北市, 漢文書店 2. 王錠堯 (2004): 青少年體能商與智能表現的關係研究, 國立中正大學運動與休閒教育研究所碩士論文 3. 行政院體育委員會 (1999) 健康體能常模報告書, 台北, 行政院體育委員會 4. 行政院體育委員會 (2001) 國民體能常模報告書, 台北, 行政院體育委員會 5. 卓俊辰 (1992) 體適能-- 健身運動處方理論與實際, 台北市, 國立台灣師範大學體育學會 6. 邱靖華 (2005) 自動型體適能檢測系統, 大專體育,79 期, 頁 71~75 7. 林仁政 翁芳標 (1997) 無線通訊系統, 全華科技圖書股份有限公司 8. 林晉榮 (2002) 體適能與健康相關生活品質, 國民體育季刊,31(1), 頁 52-59 9. 林麗鳳 (1993) 社區民眾參與健康體能活動後的效益評估, 中華民國學校衛生學會大會手冊 10. 科正有限公司 (2009) 科正網路運動中心體適能器材, 取自 http://www.accuratus.com.tw/ 11. 武田國際 (2009) 體適能檢測器材, 取自 http://www.ubl.idv.tw/ 12. 范逸之 陳立元 (2001) Visual Basic 與 RS-232 串列通訊埠控制最新版, 文魁資訊 13. 陳怡如 吳至行 (2002) 基層醫師如何簡單評估病患之體適能, 基層醫學, 19 卷,2 期, 頁 47~52 14. 陳鴻文 (2003) 度量化的身體: 學校體適能檢測的權力技術, 國立台灣師範大學體育學系碩士學位論文 15. 教育部體育司 (1998) 台閩地區中小學學生體能檢測資料處理-- 常模研究, 台北市, 教育部體育司 253
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電子式仰臥起坐檢測系統開發之探討 The Research of the Development on Electric Sit-up Testing System Su, J. C. Wang, C. M. Hung, C. H. Abstract Fitness testing and evaluation on policy and activity development played important role. The most of the instruments price was too high to popularize at present. The purpose of this study was focused on fitness testing of sit-up, a simple design and a fair price instrument. It mainly combined logic electric cable with an inducted machine that matched with an organization of machinery for sit-up testing and passed through the indication that could know the score. The whole process was accomplished by logic electric cable and an inducted machine instead of testing by person that could save human power, avoid mistake, also enhanced accuracy. Keyword:fitness, sit-up, fitness testing, fitness testing instrument. 256