文/華桂才

1 基于單片機(jī)的智能運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

運(yùn)動(dòng)裝置為機(jī)器人，在硬件設(shè)計(jì)中，主要包括輸入、控制與執(zhí)行三個(gè)部分。其中，輸入部分為傳感器電路，通過使用多樣化傳感器對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行收集；控制電路是對(duì)傳感器電路中的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，使智能機(jī)器人做出各種體育運(yùn)動(dòng)；執(zhí)行系統(tǒng)是借助AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，使機(jī)器人做出各種運(yùn)動(dòng)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止運(yùn)動(dòng)等操作，本次設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA7267BP來實(shí)現(xiàn)。

1.2 應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在智能機(jī)器人中具有尋找線路、躲避障礙、檢測金屬等功能，主要依靠傳感器來實(shí)現(xiàn)。例如，在尋線傳感器的電路設(shè)計(jì)中，設(shè)備內(nèi)部具有一對(duì)管，一個(gè)是發(fā)射管，另一個(gè)是接受管，從發(fā)射管中散發(fā)的紅外線可直射到路面后反射回來，對(duì)于不同顏色的反射系數(shù)有所區(qū)別，可以反射光強(qiáng)弱為依據(jù)對(duì)光線的顏色進(jìn)行判斷，當(dāng)兩個(gè)管路在白色地面時(shí)，發(fā)光管可發(fā)射出不可見光，通過地面反射給接收管，使接收管開啟，此時(shí)傳感器中發(fā)出低電平信號(hào)；當(dāng)兩個(gè)管路在黑色地面時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的不可見光較弱，因此接收管停止運(yùn)行，傳感器的輸出端為高阻狀態(tài)。在應(yīng)用過程中，應(yīng)將20K上拉電阻應(yīng)用其中，將其設(shè)置在輸出端與電源正極之間，當(dāng)傳感器在黑色路面中反射時(shí)，能夠使輸出端有穩(wěn)定的高電平輸出。經(jīng)過多次檢測，傳感器對(duì)光線顏色的有效范圍在25mm以內(nèi)，在15mm內(nèi)的穩(wěn)定性最強(qiáng)，因此在安裝過程中，傳感器與地面之間的距離應(yīng)設(shè)置在10mm左右。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)備受光線的影響較大，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，應(yīng)盡量減少實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的光線照射度，保障實(shí)驗(yàn)效果。

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)在智能運(yùn)動(dòng)裝置中的應(yīng)用范圍較廣，且應(yīng)用效果較為理想。本文將AT89C51單片機(jī)作為主控元件，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要使用EA腳接高電平、20腳接地、12MHz晶振等等，在電路復(fù)位方面以手動(dòng)復(fù)位為主。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方面，從單片機(jī)的P1.0口處發(fā)出報(bào)警信號(hào)，將輸出低電平信號(hào)時(shí)，3D4K管截止，報(bào)警器無法發(fā)出警報(bào)；當(dāng)P1.0中有高電平信號(hào)輸出時(shí)，3D4K管處于開啟狀態(tài)，報(bào)警器發(fā)出響聲。

當(dāng)I/O口為輸出口時(shí)，P0口無法直接投入使用，當(dāng)P0口中存在“0”信號(hào)時(shí)，位將被拉底，當(dāng)存在“1”信號(hào)時(shí)，位處于高阻狀態(tài)，即沒有開啟，無法使用。要想獲取“1”信號(hào)，則需要將電阻安裝在P0口中，在本次設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的I/O口數(shù)量有限，因此不使用P0口。在輸入口方面，P3.0可對(duì)前方是否存在遮擋物進(jìn)行檢測；P3.1可對(duì)是否存在金屬物進(jìn)行檢測；P3.2可對(duì)運(yùn)動(dòng)裝置是否發(fā)生偏移進(jìn)行檢測。在輸出口方面，P1.0代表的是報(bào)警聲信號(hào)；P1.1代表的是報(bào)警光信號(hào)；P1.3代表的是左電機(jī)動(dòng)作信號(hào)；P1.4代表的是右電機(jī)信號(hào)；P1.7代表的是后尾燈停車信號(hào)。

2 STM32單片機(jī)控制智能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測儀的應(yīng)用

在現(xiàn)代生活中交通工具十分便利，大部分人都存在運(yùn)動(dòng)量不足情況，對(duì)個(gè)人身體健康產(chǎn)生不良影響。為了解決這一問題，本文以“某社區(qū)體育運(yùn)動(dòng)大賽”為例，在STM32單片機(jī)基礎(chǔ)上，將運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測儀應(yīng)用其中，為人們體育運(yùn)動(dòng)提供技術(shù)支持。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊，分別為定位、心率、體溫、計(jì)步與傳輸。當(dāng)傳感器接受到信號(hào)后，在濾波的作用下將信號(hào)放大，傳遞到單片機(jī)中進(jìn)行處理，最后在液晶顯示器中展示出來。同時(shí)，利用傳輸模塊可將單片機(jī)數(shù)據(jù)傳遞到手機(jī)APP中進(jìn)行顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 定位模塊

利用GPS傳感器可與天線相連接，使信號(hào)強(qiáng)度得到顯著提升，利用單片中的5V或3.3V供電即可實(shí)現(xiàn)。借助GPS傳感器可對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)者所處的具體地點(diǎn)進(jìn)行展示，精確到經(jīng)緯度、海拔高度等方面，使運(yùn)動(dòng)者在鍛煉時(shí)可以對(duì)自己所處位置進(jìn)行監(jiān)測。

2.1.2 心率模塊

該模塊主要采用Pulsesensor傳感器，利用光電透射測量的方式對(duì)運(yùn)動(dòng)者的心率進(jìn)行測量。當(dāng)傳感器中發(fā)出綠光照射在皮膚上，光線的峰值波長為515mm，剛好能夠捕捉到皮膚淺層的微動(dòng)脈信息。人體中流動(dòng)的血液可對(duì)部分光線進(jìn)行吸收，使光線感受器可對(duì)反射光進(jìn)行測量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將低通濾波器、放大器等放置到傳感器后方，便可達(dá)到信號(hào)放大的效果。同時(shí)，對(duì)分壓電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可提高單片機(jī)AD對(duì)信號(hào)的采集效率，經(jīng)由單片機(jī)處理后使心率數(shù)值顯示到液晶屏幕中。

2.1.3 體溫模塊

該模塊采用DS18B20傳感器，不需要將其他原件接入其中，利用單片機(jī)中12位存儲(chǔ)溫度值，從理論上來看，精度能夠達(dá)到0.05℃，可準(zhǔn)確的測量運(yùn)動(dòng)者體溫的變化情況，并通過液晶屏幕顯示出來。一旦運(yùn)動(dòng)者的體溫超過設(shè)定的數(shù)值，蜂鳴器將會(huì)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒運(yùn)動(dòng)者。

2.1.4 傳輸模塊

該模塊通過藍(lán)牙功能來實(shí)現(xiàn)，采用HC-06藍(lán)牙模塊替代以往的串口線，應(yīng)用3.3V供電，波特率可以調(diào)節(jié)，在本系統(tǒng)中設(shè)置為9600Hz，將設(shè)備與手機(jī)進(jìn)行配對(duì)，實(shí)現(xiàn)通信。該設(shè)備具有功耗量較低的優(yōu)勢，在配對(duì)時(shí)電流大小為30-40mA，在成功配對(duì)后，利用單片機(jī)便可對(duì)運(yùn)動(dòng)者的心率、體溫、位置、步數(shù)等信息均上傳到手機(jī)當(dāng)中。

2.1.5 計(jì)步模塊

該模塊使用的是MPU6050傳感器，與以往多組件相比，無需考慮組合陀螺儀與時(shí)間軸之間的差值，使大量封裝空間得以節(jié)約。當(dāng)人們?cè)隗w育運(yùn)動(dòng)過程中，傳感器的佩戴方向、位置不盡相同，如若單純采用三軸傳感器中的X、Y、Z的任意一個(gè)進(jìn)行計(jì)步則會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在利用MPU6050對(duì)三軸信息進(jìn)行綜合采集后，首先進(jìn)行矢量求和，將三軸的加速度合在一起，然后借助濾波器的作用對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾，提高信號(hào)平滑度，減少對(duì)步數(shù)的誤判，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。在設(shè)備應(yīng)用過程中，系統(tǒng)每采集50次信息便會(huì)進(jìn)行一次更新，發(fā)揮動(dòng)態(tài)閾值的作用，對(duì)后50次進(jìn)行采樣，以此來判斷運(yùn)動(dòng)者是否邁步。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方面，主要采用模塊化設(shè)計(jì)法，包括主程序與子程序兩個(gè)部分。在子程序中包括數(shù)據(jù)收集、鍵盤處理、語音播報(bào)等等。當(dāng)系統(tǒng)連接后，首先進(jìn)行初始化操作，再對(duì)各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)按鍵按下后，則語言播報(bào)、液晶顯示等功能隨之開啟。通過定時(shí)器對(duì)鍵盤處理子程序進(jìn)行調(diào)用，依靠菜單方式將參數(shù)輸入進(jìn)去，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)者的步伐長度，對(duì)其行走的路程、速度等進(jìn)行計(jì)算，通過設(shè)置體重、身高、性別、年齡等，對(duì)消耗的熱量進(jìn)行計(jì)算。

在手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)方面，主要對(duì)計(jì)步信息進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，包括三個(gè)層次，即人機(jī)交互層、數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)程序。其中，人機(jī)交互層能夠便于運(yùn)動(dòng)者通過手機(jī)完成各項(xiàng)操作，利用后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙通信。在個(gè)人信息設(shè)置方面，可對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身高、性別、體重等信息進(jìn)行綜合分析，從而計(jì)算出消耗的熱量。當(dāng)手機(jī)與藍(lán)牙相連接后，利用APP即可對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測儀中各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行獲取，并將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。在歷史記錄中，可對(duì)運(yùn)動(dòng)者每月、每周的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以柱狀圖的形式直觀的呈現(xiàn)出來。

3 結(jié)語

綜上所述，大量實(shí)踐研究表明，基于單片機(jī)技術(shù)的智能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測具有無線傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測、操作簡便等特征，可根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)者的身體情況，對(duì)其運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行精準(zhǔn)測量，在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。