Ausgabe 23, September 1998

Fit mit SIOS

SIOS als autonomes, programmierbares Meßsystem
Von Hans-Joachim Berndt


Im Sportbereich soll ein Trainingsrad so mit einem Computer verbunden werden, daß die Geschwindigkeit, die Leistung und die Herzfrequenz erfaßt und dargestellt werden können.

Das Trainingsrad

Das verwendete Trainingsgerät ist ein feststehendes Fahrrad mit einstellbarer Radbremse und zwei Meßgeräten. Alle Meßgrößen dieses Rades werden mechanisch zur Anzeige gebracht. Die Geschwindigkeitsanzeige verwendet einen klassischen mechanischen Tachometer ohne elektrische Signale.

Die Leistungsanzeige besteht aus einer Skala, die über ein Gegengewicht bewegt wird (vgl. Abb. 1). Das Trainingsrad wird durch ein Schleifband gebremst. Die Reibungskraft wird mechanisch so umgelenkt, daß das Schleifband ein Gewicht anhebt. Das Gewicht ist fest mit der Leistungsskala verbunden. Der maximale Skalenweg beträgt ca. 10 cm.

Rechnerkopplung

Zur Auswertung aller relevanten Daten sollte ein Interface entwickelt werden, das die eigentlichen Messungen autonom durchführt und Meßwerte in einem definierten Datenprotokoll selbständig an den PC sendet. Um alle geforderten Angaben zu erhalten, müssen insgesamt drei Größen ermittelt werden: Leistung, Geschwindigkeit und Herzfrequenz (Puls). Daraus lassen sich alle weiteren Daten berechnen. Wegen der Vielzahl der Meßgrößen und der Erzeugung einer vorgegebenen Zeichenkette kommt das SIOS-Interface mit SIOS-BASIC zum Einsatz.

Geschwindigkeitsmessung

Zur Geschwindigkeitsmessung können folgende Meßverfahren angewandt werden:

In Vorversuchen wurden die verschiedenen Möglichkeiten kurz getestet. Als bestes Verfahren für diesen Zweck erwies sich Tachogenerator und Reed-Kontakt.

Leistungsmessung

Zur Leistungsmessung wurden folgende Meßverfahren untersucht:

Die genauere Analyse des Schleifbandmechanismus zeigt, daß das Potentiometer unter dem Rad angebracht werden kann. Wie in der Skizze dargestellt, dreht sich das Rad unter dem Schleifband. Ein kleinerer konischer Gummistopfen auf der Potiachse hält direkten Kontakt mit der rauhen Oberfläche des Schleifbandes. Dadurch wird ein guter Griff zwischen Poti und Band erreicht. Der Weg des Schleifbandes bei völliger Anhebung des Hubgewichts liegt ebenfalls in einem sehr günstigen Bereich, wodurch annähernd der gesamte Widerstandsbereich ausgenutzt werden kann. Die Befestigung unter dem Rad mit entsprechendem Labormaterial gelingt relativ unproblematisch. Der Ort ist unauffällig und nicht sehr anfällig auf Verschiebungen des Rades auf dem Boden durch die trainierende Person. Ein weiterer erheblicher Vorteil dieser Anordnung ist die maximale Linearität, da das Band direkt mit der mechanischen Leistungsanzeige gekoppelt ist.

Pulsmessung

Zur Messung der Herzfrequenz steht ein Ohrclip mit Zusatzelektronik eines ausgemusterten Ergometers zur Verfügung. Das Gerät liefert ein sauberes TTL-Rechtecksignal.

Es kann direkt über einen Digitaleingang des SIOS gelesen werden. Ein entsprechender Algorithmus berechnet aus Impulsdauer und Frequenz den Puls (im Listing 1 ab Zeile 100). Dabei kommen die einfach zu programmierenden Timer-Funktionen des SIOS-BASIC zum Einsatz.

1 REM FUER EXCELSTRING EXCEL=1 SETZEN

 2 STRING 100,20

 3 REM $ (1)=" "

 4 PRINT USING(###), CR 

 5 FOFFSET=0 : DTX=2 : TIME=0 : EXCEL=0

 7 CLOCK 1 : ONTIME DT,1000

 8 IF INPORT>127 GOSUB 100

 9 U1=AD(0) : U2=AD(1)

 10 V=INT(U1/51*10) : REM KM/H

 15 F=INT(50*(U2-FOFFSET)/51) : REM N

 20 U=INT((U1/51)*30) : REM RPM

 25 P=INT(0.06*F*U) : REM W

 30 GOTO 8

 100 T0=TIME : PULS=0 : OUTPORT=240

 110 DO : WHILE INPORT>127

 120 T1=TIME : OUTPORT=15

 130 DT=T0-LT : IF DT>0 THEN PULS=INT(1/DT*60)

 140 IF PULS>250 THEN GOTO 180

 150 IF PULS<40 THEN GOTO 180

 160 PU=PU+PULS : N=N+1

 170 IF N=2 THEN HF=INT(PU/N) : PU=0 : N=0

 180 LT=T0

 199 RETURN 

 999 END 

 1000 T=TIME

 1005 IF EXCEL=1 THEN GOTO 1010

 1006 IF EXCEL=0 THEN GOTO 1012

 1010 PRINT " ",T," ",V," kmh ",P," W ",HF

 1011 GOTO 1015

 1012 PRINT INT(TIME),"s ",V,"km/h ",F,"N ",U,"rpm ",P,"W ",HF,"bpm"

 1015 IF TIME>998 THEN TIME=0

 1017 ONTIME TIME+DTX,1000 : HF=0

 1020 RETI 

Fazit

Die beschriebene Lösung kann als exemplarisches Projekt für Schüler im NTW-Bereich angesehen werden. Nachdem die Meßwertproblematik gelöst ist, programmieren die Schüler entsprechende Makros in Excel, um die Zeichenkette der Meßdaten wieder zu zerlegen. Im nächsten Schritt arbeiten die Sportler eng mit den NTW-Schülern zusammen, um eine für den Sportbereich richtige und ansprechende Art der Meßwertdarstellung zu erhalten. Hier erweist sich Excel als sehr brauchbar. Die Meßdaten werden in einem Excel-Makro mit Hilfe der RSAPI.DLL direkt empfangen und in Tabellen übertragen (vgl. CompaS 22, PDV mit Standardapplikationen).

Während zwei Wochenenden präsentierten die beiden Schülergruppen das Ergebnis in der Sportabteilung eines großen Düsseldorfer Kaufhauses. Neben weiteren kleineren Präsentationen wird im Herbst ein Stand auf der Messe "aktiv leben" aufgebaut. Die sportmedizinische Auswertung gibt dabei den Trainingszustand von Probanden an, die in einer zwei- bis fünfminütigen Messung erfaßt werden.


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