謝將劍+鄒昊+嚴(yán)巖+曾玉宗+孫奕

摘 要：研究一種能任意固定在多種力量級(jí)的握力器上的智能握力器套，目的在于降低研發(fā)中所需傳感器成本的同時(shí)也能分析不同握力鍛煉者的握力情況。同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的手機(jī)APP，將鍛煉器材和智能產(chǎn)品相結(jié)合，讓握力鍛煉科學(xué)化。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)握力器不斷張合的機(jī)械能的利用，采用壓電發(fā)電裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來(lái)，累積到一定程度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的供電。文章使用的研究方法主要是探索性研究法。研究成果為基于STC89C52單片機(jī)的自供電智能握力器套的硬件實(shí)物。通過(guò)探索研究，總結(jié)出以下觀點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)與智能化產(chǎn)品相結(jié)合是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展一個(gè)重要的趨勢(shì)，壓電發(fā)電模塊體積小能夠在許多地方代替電池的使用等。文章的價(jià)值在于將握力鍛煉與智能產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)，為握力鍛煉者提供一種全新的形式，同時(shí)，把壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到了智能運(yùn)動(dòng)器件上面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源的合理利用。

關(guān)鍵詞：握力器；藍(lán)牙；壓電發(fā)電；APP

引言

當(dāng)今人們生活和工作壓力較大，對(duì)于身體健康放松了警惕，許多人沒(méi)有時(shí)間更沒(méi)有毅力去堅(jiān)持鍛煉。世界衛(wèi)生組織的調(diào)查顯示，全球僅有5%的健康人群，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)我們每個(gè)人敲響了警鐘。同時(shí)多項(xiàng)研究表明，握力是衡量身體健康的重要因素。鍛煉握力能防止多種疾病、治療鼠標(biāo)手，對(duì)于肥胖者、慢性腸胃道疾病患者均有特殊的調(diào)節(jié)功效。本文設(shè)計(jì)一種智能握力器套，使用者可以將握力器套固定于任意力量級(jí)的握力器上，隨時(shí)鍛煉握力，區(qū)別于傳統(tǒng)的純機(jī)械式握力器，它可以通過(guò)手機(jī)APP分析握力數(shù)據(jù)，為使用者提供鍛煉計(jì)劃相關(guān)的幫助。同時(shí)還能利用壓電發(fā)電裝置為單片機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。

1 握力器套的總體架構(gòu)

1.1 外觀構(gòu)造

在結(jié)構(gòu)上，握力套由功能塊和其兩邊的兩臂組成，兩臂用于固定在握力器的雙臂上，功能塊集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、藍(lán)牙傳輸、壓電發(fā)電等功能于一體，握力套能裝置于不同力量級(jí)的握力器上。

1.2 硬件成分

握力器套以STC89C52單片機(jī)為控制核心，包含了數(shù)據(jù)顯示、藍(lán)牙傳輸、壓電發(fā)電等功能。顯示模塊用于顯示時(shí)間和次數(shù)，按鍵用于感受握力器的張和次數(shù)，以及切換顯示模塊的時(shí)間顯示和次數(shù)顯示。藍(lán)牙模塊用于與手機(jī)APP進(jìn)行通訊。壓電發(fā)電模塊用于把握力器產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以供單片機(jī)的運(yùn)行。圖1是硬件設(shè)計(jì)總體框圖。

1.3 手機(jī)APP

手機(jī)APP用于藍(lán)牙采集握力數(shù)據(jù)并分析，讓使用者對(duì)自己的握力情況有一個(gè)直觀的了解。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)

STC89C52單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、速度快、功耗低和指令代碼完全兼容8051單片機(jī)等特點(diǎn)[1]。它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。圖2是STC89C52RC引腳圖[2]。

2.2 按鍵電路

按鍵電路如圖3所示，從上到下依次為KY1、KY2、KY3、KY4。KY1用于檢測(cè)握力器的張合次數(shù)；次數(shù)按鍵KY2用于控制數(shù)碼管顯示握力器的張和次數(shù)；時(shí)間顯示按鍵KY3用于控制數(shù)碼管顯示握力器的時(shí)間，單位為秒；KY4按鍵留于后續(xù)的功能使用。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

4位數(shù)碼管用于顯示握力器張合的次數(shù)和鍛煉的時(shí)間，時(shí)間單位為秒。圖4為數(shù)碼管顯示電路圖。

2.4 藍(lán)牙模塊

這里采用CC2541藍(lán)牙模塊用于單片機(jī)與手機(jī)APP進(jìn)行通訊，圖5是藍(lán)牙模塊的應(yīng)用電路圖。圖中28腳是硬件主從設(shè)置口：3.3V高電平設(shè)置主機(jī)透?jìng)髂Ｊ?，接地或者懸空透?jìng)鳌?4腳用于LED狀態(tài)指示，具體對(duì)應(yīng)如圖6所示。喚醒模塊設(shè)置有兩種方法：短按系統(tǒng)按鍵SW1（23腳P13引腳）或者直接配對(duì)連接。另外，P1_3為輸入管腳，短按控制，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：模塊處于休眠狀態(tài)時(shí)：模塊將被喚醒至正常狀態(tài)，成功喚醒后，串口將會(huì)輸出“+WAKE＼t＼n”；模塊處于連接狀態(tài)時(shí)：模塊會(huì)主動(dòng)發(fā)起斷開(kāi)連接請(qǐng)求。在這里，通過(guò)藍(lán)牙模塊和手機(jī)的通訊將握力數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP端，APP進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2.5 壓電發(fā)電模塊

壓電發(fā)電是近年來(lái)的新興技術(shù)，而其核心是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電材料是一種依靠外界振動(dòng)使其發(fā)生變形而發(fā)電的節(jié)能環(huán)保型材料，利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置不但結(jié)構(gòu)上較簡(jiǎn)單、不易發(fā)熱、低成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、集成化的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[3]。在此結(jié)合壓電材料的特性，利用現(xiàn)有的壓電發(fā)電電能收集模塊對(duì)壓電片產(chǎn)生的電能進(jìn)行收集。壓電片采用典型的懸臂梁式雙晶壓電片，懸臂梁中間為金屬層，該層上下表面貼有壓電陶瓷。一端固定在基底上，另一端是自由端。當(dāng)它受到振動(dòng)源作用上下振動(dòng)時(shí)，梁的自由端在慣性的作用下也將上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，壓電陶瓷產(chǎn)生橫向應(yīng)力，將在壓電陶瓷層產(chǎn)生電荷，從而將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能[4]。

將壓電片通過(guò)導(dǎo)線和壓電發(fā)電電能收集模塊連接在一起，利用握力器的不斷張合帶動(dòng)壓電片的自由端上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而把電能累積起來(lái)給單片機(jī)供電。圖7為現(xiàn)有壓電發(fā)電電能收集模塊的系統(tǒng)框圖。

3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序主要由藍(lán)牙程序、按鍵檢測(cè)程序、時(shí)間記錄程序和顯示程序這四種程序模塊組成。時(shí)間記錄程序用于記錄第一次和最后一次握力器張合之間的時(shí)間差值。按鍵檢測(cè)程序包括感受握力器的張合和選擇數(shù)碼管的次數(shù)或者時(shí)間的顯示。若代表握力器張合次數(shù)的按鍵KY2按下，指向執(zhí)行次數(shù)顯示的程序段；若代表指示時(shí)間的按鍵按下，指向執(zhí)行時(shí)間顯示的程序段。藍(lán)牙傳輸程序則是用于建立單片機(jī)和手機(jī)APP端的連接和通訊。圖8是單片機(jī)主程序流程圖。

4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

本文的軟件基于android系統(tǒng)使用java編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔登錄界面、與手機(jī)的藍(lán)牙連接傳輸數(shù)據(jù)，此軟件旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓越來(lái)越多的人注意并參與到鍛煉中來(lái)。

4.1 軟件開(kāi)發(fā)中應(yīng)用安卓系統(tǒng)的重要性

安卓系統(tǒng)的操作性和實(shí)用性比較強(qiáng)，是比較出色的系統(tǒng)[5]，并且其可操作性和實(shí)用性比較強(qiáng)，已經(jīng)成為眾多系統(tǒng)中普及性很強(qiáng)的系統(tǒng)。而且安卓系統(tǒng)基本屬于開(kāi)源系統(tǒng)，對(duì)于開(kāi)發(fā)員、程序員來(lái)說(shuō)使用方便且能充分發(fā)揮理想的對(duì)應(yīng)功能，用戶使用也十分友善。圖9為APP設(shè)計(jì)流程圖。

4.2 程序開(kāi)發(fā)

首先搭建eclipse平臺(tái)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的，基于Java的可擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這個(gè)過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟；（1）把準(zhǔn)備好的Eclipse和JDK安裝到本機(jī)上（最好安裝在全英文路徑下），并給JDK配置環(huán)境變量，其中JDK的變量值為JDK安裝路徑的根目錄。（2）在eclipse中安裝ADT（ Android Development Tools），在eclipse編譯IDE環(huán)境中，需要安裝ADT，能夠?yàn)榘沧块_(kāi)發(fā)者提供開(kāi)發(fā)工具的升級(jí)或者變更。（3）安裝完ADT后，需要在eclipse中指定SDK（Software Development Kit）的路徑，SDK一般是一些被軟件工程師用于為特定的軟件包、軟件框架、硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)等建立應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工具的集合，在Android中，它為開(kāi)發(fā)者提供了庫(kù)文件以及其它開(kāi)發(fā)所用到的工具，簡(jiǎn)單的講就是開(kāi)發(fā)工具包集合，是整體開(kāi)發(fā)中所用到的工具包。（4）創(chuàng)建AVD，AVD的全稱為：Android Virtual Device，就是Android運(yùn)行的虛擬設(shè)備，他是Android的模擬器識(shí)別。建立的Android要運(yùn)行，必須創(chuàng)建AVD，每個(gè)AVD上可以配置很多的運(yùn)行項(xiàng)目。

4.3 建立新工程

（1）打開(kāi)Eclipse，單擊菜單欄的“File”，點(diǎn)擊“New”->在彈出的列表框中，單擊“Android Application Project”選項(xiàng)項(xiàng)，在彈出的窗口中，點(diǎn)擊“Android”項(xiàng)，選擇“Android Application Project”，然后“Next”； （2）在新彈出的窗口中填寫適合目標(biāo)的信息，搭建好了Android程序且Eclipse左邊會(huì)顯示新創(chuàng)建的Android項(xiàng)目。（3）單擊“Run As”再點(diǎn)擊“Android Application”，起動(dòng)android模擬器等待時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，等啟動(dòng)好模擬器之后，即可運(yùn)行所制作的APP[6]。

4.4 功能與使用

通過(guò)手機(jī)APP端輸入所使用的握力器的力量級(jí)，打開(kāi)藍(lán)牙，和單片機(jī)的CC2541藍(lán)牙模塊配對(duì)連接。傳輸握力數(shù)據(jù)完成后，握力數(shù)據(jù)在APP端通過(guò)圖表的形式顯示出來(lái)，以供使用者對(duì)自己的握力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的了解。圖10和圖11是APP的相關(guān)界面。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的智能握力器套成本較低，能夠適用于多種力量級(jí)的握力器，對(duì)于不同體格的使用者只需購(gòu)買相應(yīng)力量級(jí)的廉價(jià)握力器，即能借用該智能硬件和手機(jī)APP掌握自己的握力鍛煉情況。同時(shí)，壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到硬件設(shè)計(jì)中能節(jié)省額外的電能，避免了電池的使用，縮減了硬件體積。本文還簡(jiǎn)單介紹了基于安卓系統(tǒng)的APP制作過(guò)程，包括搭建平臺(tái)和建立工程等。在未來(lái)，運(yùn)動(dòng)與智能化產(chǎn)品相聯(lián)系、相結(jié)合，是一個(gè)重要的方向也是一種必然的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]周鵬.基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（22）：10-13.

[2]http：//baike.baidu.com/link？url=HQzxswwj_T2WTcZAo3lz5f314sYc9

GEF4wjLMED5bqHvtfZVk0C3vMHC-GvoIx_JWS_yuIqxJ7A-qi_DuMH

RlYWs54QyGV11nCxXIxrMek3，2017-03-10.

[3]姬玉芳.基于壓電效應(yīng)的壓電發(fā)電技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2011.

[4]徐詩(shī)友，潘典旺，劉政昊，等.基于壓電效應(yīng)的傳感器自供電[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（07）：24-25+28.

[5]鄭毅.Android基礎(chǔ)之用Eclipse搭建Android開(kāi)發(fā)環(huán)境和創(chuàng)建第

一個(gè)Android項(xiàng)目[EB/OL].[2017-03-10].http：//www.cnblogs.com/allenzheng/archive/2012/11/10/2762379.html.

[6]吳天亮.試析基于安卓系統(tǒng)的測(cè)量軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].通訊世界，2016（07）：295-296.