常鳳楠,陳忠孝,魏建全,史園輝,邵亞強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021）

0 引言

跑步作為一項簡單實用的運動項目，是最有效最健康的鍛煉方式，一直倍受人民的推崇。但是隨著如今霧霾天數(shù)的不斷刷新，都市的大氣變得越來越污濁再加上現(xiàn)代人的生活節(jié)奏多變動而緊張，戶外長跑變的越來越受限。本課題的目的是在傳統(tǒng)機(jī)械式跑步機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善，使其更加舒適節(jié)能、經(jīng)濟(jì)適用，并且通過增加語音控制功能為用戶提供一個輕松愉快的室內(nèi)運動環(huán)境。

1 系統(tǒng)的整體功能原理設(shè)計方案

本項目設(shè)計的跑步機(jī)是通過用戶跑步時帶動跑步機(jī)履帶繼而利用發(fā)電機(jī)為整個系統(tǒng)子模塊供電，系統(tǒng)基于GSM技術(shù)和語音技術(shù)，并設(shè)計有USB加濕器、節(jié)能小臺燈、語音播放系統(tǒng)等，可以帶給用戶全面愉快的健身體驗。系統(tǒng)總體組成框圖如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

本項目設(shè)計的跑步機(jī)，具有以下功能：（1）相對現(xiàn)有的電動式跑步機(jī)而言，本項目設(shè)計的跑步機(jī)更加經(jīng)濟(jì)實惠環(huán)保節(jié)能，在保證安全舒適的前提下占地更小；（2）支持語音式人機(jī)交互，既為用戶提示當(dāng)前跑步狀態(tài)也可以在用戶的要求下在運動的同時播放符合用戶喜好的音樂；（3）增加USB加濕器和節(jié)能小電燈為用戶提供更加濕潤清新的運動環(huán)境和提示小光源；（4）對用戶的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并分析，得出健康報告以GSM短信方式發(fā)給用戶。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（1）核心控制單元STM32模塊。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)公司生產(chǎn)的STM32F103VB作為系統(tǒng)的主控芯片。STM32F103VB是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的中等容量增強(qiáng)型微控制器，工作頻率為72MHz，內(nèi)部包含豐富的內(nèi)部資源。

（2）LD3320語音模塊。本項目設(shè)計選用LD3320語音芯片，該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。

（3）GSM無線控制模塊。這里的無線控制模塊采用了GSM技術(shù)。這里選用西門子的MC52i實現(xiàn)對用戶手機(jī)發(fā)送跑步數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運行中，當(dāng)用戶給出停止命令時，主控板通過RS-232串行總線控制GSM模塊，通過AT指令將主控計算好的用戶跑步數(shù)據(jù)和用戶鍛煉進(jìn)行評判，以短信的方式發(fā)送給用戶作為用戶鍛煉的參考。

（4）編碼器模塊。在系統(tǒng)中采用增量式編碼器與機(jī)械式跑步機(jī)的后軸連接，通過增量式編碼器輸回主控的脈沖數(shù)就可以得到具體的跑步數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理，最后可通過顯示模塊實時的顯示出來，使用戶能夠隨時地了解自己的跑步狀態(tài)。

（5）顯示、按鍵模塊及其他輔助設(shè)備。本系統(tǒng)中的輔助設(shè)備主要有：USB加濕器、節(jié)能臺燈和小音箱等小型電子設(shè)備。在用戶使用的過程中，編碼器測量用戶的跑步數(shù)據(jù)輸送至主控，由主控將實時數(shù)據(jù)通過顯示模塊實時地顯示出此時的步速、周圍環(huán)境溫濕度等，并以此標(biāo)準(zhǔn)控制是否打開加濕器，為用戶提供較為舒適濕潤的環(huán)境。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計從功能規(guī)劃上分為兩個大的部分：數(shù)據(jù)采集處理部分和語音交互部分。具體系統(tǒng)軟件功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)實際工作時需要完成一下幾個功能：語音信息處理和編碼器信息處理，以及簡單的邏輯判斷和開關(guān)量的控制。系統(tǒng)的軟件功能圖如下圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件功能框圖

4 總結(jié)

機(jī)械式跑步機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易操作。利用微控芯片，機(jī)械式跑步機(jī)在健身運動時能夠顯示出健身者當(dāng)前的速度、時間、節(jié)拍、距離等運動指標(biāo)，使健身者能夠隨時根據(jù)自身的運動狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度。在健身器材上安裝自發(fā)電裝置后，讓人們在健身活動中不僅鍛煉身體又能將消耗的體能轉(zhuǎn)換并存儲為電能，再次加以利用。

[1]夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[2]徐華文,李文峰.電動跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計[J].機(jī)械工程,2004.

[3]蘇鵬,周風(fēng)余,陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設(shè)計.山東大學(xué),250061.