許清梅

（太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們健康生活觀念的變化，人們對健身器材的要求越來越理性[1-2]，傳統(tǒng)的機械式健身器材已經(jīng)不能滿足人們?nèi)諠u增長的健身需求。因此，根據(jù)健身需求在健身器材設(shè)計方面引入先進的科學(xué)技術(shù)手段，對傳統(tǒng)健身器材的改進，以及智能健身器材的研究與開發(fā)，是當(dāng)前健身器材行業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)[3-4]。智能健身器材能夠為人們提供科學(xué)的健身指導(dǎo)，并且將健身大數(shù)據(jù)共享化，直觀反映健身效果。智能健身器材的主要特點是通過測量健身相關(guān)信息，將不同時間的數(shù)據(jù)形成互連，對健身者的運動行為實現(xiàn)實時跟蹤和監(jiān)控，并且根據(jù)個人身體特點及時調(diào)整控制各項健身參數(shù)，從而獲得最佳健身效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及原理

本系統(tǒng)主要以STC89C52RC 單片機為主控制器，以紅外采集模塊、電量測量模塊、藍牙通信模塊、液晶顯示、按鍵部分、蜂鳴器報警部分為受控模塊，它們共同構(gòu)建起了整個全民健身智能計數(shù)終端。其中，紅外傳感器采集統(tǒng)計健身者的健身次數(shù)；藍牙通信模塊是將健身者健身信息發(fā)送至手機終端；電量測量模塊主要是采集電池剩余電量并顯示至液晶屏幕；鍵盤部分的功能：參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)啟停。系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

全民健身智能計數(shù)終端硬件部分包括單片機最小系統(tǒng)、紅外采集電路、電量測量電路、藍牙通信模塊、按鍵電路和蜂鳴器電路。首先通過紅外采集電路采集健身者健身次數(shù)，單片機將次數(shù)顯示到LCD1602 上，并將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到手機端，在健身次數(shù)超過設(shè)定預(yù)值時，蜂鳴器報警。電量測量電路測量系統(tǒng)電池剩余電量，按鍵為執(zhí)行復(fù)位和參數(shù)加減功能。接下來，詳細介紹各個模塊的具體設(shè)計。

■2.1 單片機模塊

將晶體振蕩器和瓷片電容與單片機芯片連接，組成反饋電路。為了保證電路的正常運行，需設(shè)置合適的時鐘電路。本系統(tǒng)中使用11.0592MHz,是為了更好的配合控制芯片的運行，時鐘電路中的電容選取22pF，頻率范圍是1.2MHz～12MHz。

圖2 時鐘電路

復(fù)位電路由按鍵S1、電解電容C3以及電阻R1和R2組成，如圖3 所示，可實現(xiàn)手動按鍵和上電復(fù)位。電路中按鍵S1相當(dāng)于開關(guān)，按下時系統(tǒng)由低電平上升到高電平，這時S1、R1形成一條通路，然后R1與R2分壓，自動將電平拉低，輸出低電平，從而實現(xiàn)單片機上電復(fù)位。

圖3 復(fù)位電路

本系統(tǒng)選擇5V 直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源，為整個系統(tǒng)供電，電路簡單且穩(wěn)定，如圖4 所示。紅色LED 燈的功能是檢測系統(tǒng)是否有電的指示燈。1kΩ 電阻起到限流作用，保護LED 燈，防止電流過大燒壞LED 燈。SW 為自鎖開關(guān)，開關(guān)按下后，紅燈亮，此時系統(tǒng)電源5V直流輸出。開關(guān)再次按下后，紅燈滅，此時系統(tǒng)電源無5V 電源輸出。

圖4 電源電路

■2.2 紅外采集電路

紅外采集電路由LM393 構(gòu)成的紅外發(fā)射和接收電路組成。其工作原理是，首先紅外發(fā)射二極管發(fā)射紅外線,通過檢測紅外線是否被人或者物體遮擋,紅外線接收三極管把模擬信號整流后發(fā)送給LM393 進行比較并輸出計數(shù)脈沖以便單片機進行計數(shù)控制，電路如圖5 所示。

圖5 紅外采集電路

■2.3 電量測量電路

DS2780 內(nèi)置16 位電流檢測ADC，11 位電池電壓及溫度檢測ADC,以及精確穩(wěn)定的內(nèi)部時鐘,和用以存儲電池特征數(shù)據(jù)和性能參數(shù)的EPROM,其硬件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。電流檢測ADC 采樣外置檢流電阻兩端壓降，并將采樣結(jié)果對時間積分以實現(xiàn)庫侖計功能，得到的以mVh 表示的電池當(dāng)前電量用以更新電量寄存器(ACR)。為了減小累積失調(diào)誤差對電量計算精度的影響，每采樣1024 次(約1 小時)電流測ADC 自動進行一次失調(diào)校準。DS2780 可設(shè)置電流檢測ADC 的增益，并可對檢流電阻的溫度系數(shù)進行補償，從而允許使用低精度、低成本的外置檢流電阻。

圖6 電量測量電路

■2.4 蜂鳴器電路

如圖7 所示，電阻R11 為上拉電阻，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點P1.4懸空時，三極管Q1的基極有一個穩(wěn)定的高電平；電容C6為旁路電容，對刺耳的高頻信號起到旁路作用；三極管Q1起開關(guān)管的作用，控制蜂鳴器。電阻R13，R14是蜂鳴器的限流電阻，主要有兩個作用：一是這兩個電阻并聯(lián)一起時候進行分流，使每個電阻上的熱量不會超過它的額定功耗，保證電阻壽命；二是方便調(diào)試，在一個電阻功率都能滿足的情況下，如果要增加蜂鳴器響度，只需再并聯(lián)一個電阻就行，不需要重新拆下原來的電阻，調(diào)試方便。

圖7 蜂鳴器電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能實現(xiàn)的軟件流程圖如圖8 所示。當(dāng)按下開始的按鈕時，單片機控制的紅外傳感器開始工作，對健身者完成次數(shù)進行采集，然后將采集的信息顯示至液晶屏幕，通過藍牙通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至手機終端。其中模塊蜂鳴器聲音提示，按鍵模塊設(shè)計包括參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)啟停等，電池電量采集模塊采集剩余電量。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

■4.1 系統(tǒng)整體仿真

使用Proteus 8 軟件進行系統(tǒng)的仿真，用按鍵模擬紅外采集電路。按鍵按下表示一個人在健身遮擋紅外采集電路時，輸出一個高電平。初始設(shè)置蜂鳴器報警參數(shù)為30 次。圖9 是啟動時系統(tǒng)的仿真界面。

圖9 系統(tǒng)整體仿真圖

■4.2 系統(tǒng)實物演示

本系統(tǒng)設(shè)計的實物如圖10 和圖11 所示，通過紅外采集模塊可以采集健身者健身次數(shù)并實時的將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏幕和發(fā)送至藍牙。

圖10 系統(tǒng)實物圖

圖11 藍牙通信

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了將健身數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇∩碚呤謾C端，對健身進行實時跟蹤，并根據(jù)個人特點及時調(diào)整控制參數(shù)，突破了傳統(tǒng)的健身器材單一的功能。