全民健身智能計數終端的設計

許清梅

（太原工業學院，山西太原，030008）

0 引言

隨著科學技術的發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]，傳統的機械式健身器材已經不能滿足人們日漸增長的健身需求。因此，根據健身需求在健身器材設計方面引入先進的科學技術手段，對傳統健身器材的改進，以及智能健身器材的研究與開發，是當前健身器材行業發展面臨的主要挑戰[3-4]。智能健身器材能夠為人們提供科學的健身指導，并且將健身大數據共享化，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信息，將不同時間的數據形成互連，對健身者的運動行為實現實時跟蹤和監控，并且根據個人身體特點及時調整控制各項健身參數，從而獲得最佳健身效果。

1 系統總體設計及原理

本系統主要以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，它們共同構建起了整個全民健身智能計數終端。其中，紅外傳感器采集統計健身者的健身次數；藍牙通信模塊是將健身者健身信息發送至手機終端；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：參數設置、系統啟停。系統的整體設計如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統的硬件設計

全民健身智能計數終端硬件部分包括單片機最小系統、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，單片機將次數顯示到LCD1602 上，并將數據通過藍牙發送到手機端，在健身次數超過設定預值時，蜂鳴器報警。電量測量電路測量系統電池剩余電量，按鍵為執行復位和參數加減功能。接下來，詳細介紹各個模塊的具體設計。

■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，需設置合適的時鐘電路。本系統中使用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，可實現手動按鍵和上電復位。電路中按鍵S1相當于開關，按下時系統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，從而實現單片機上電復位。

圖3 復位電路

本系統選擇5V 直流穩壓電源作為系統電源，為整個系統供電，電路簡單且穩定，如圖4 所示。紅色LED 燈的功能是檢測系統是否有電的指示燈。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，開關按下后，紅燈亮，此時系統電源5V直流輸出。開關再次按下后，紅燈滅，此時系統電源無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 構成的紅外發射和接收電路組成。其工作原理是，首先紅外發射二極管發射紅外線,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送給LM393 進行比較并輸出計數脈沖以便單片機進行計數控制，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,以及精確穩定的內部時鐘,和用以存儲電池特征數據和性能參數的EPROM,其硬件結構如圖6 所示。電流檢測ADC 采樣外置檢流電阻兩端壓降，并將采樣結果對時間積分以實現庫侖計功能，得到的以mVh 表示的電池當前電量用以更新電量寄存器(ACR)。為了減小累積失調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 自動進行一次失調校準。DS2780 可設置電流檢測ADC 的增益，并可對檢流電阻的溫度系數進行補償，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，當網絡節點P1.4懸空時，三極管Q1的基極有一個穩定的高電平；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，只需再并聯一個電阻就行，不需要重新拆下原來的電阻，調試方便。

圖7 蜂鳴器電路

3 系統的軟件設計

系統功能實現的軟件流程圖如圖8 所示。當按下開始的按鈕時，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據傳輸至手機終端。其中模塊蜂鳴器聲音提示，按鍵模塊設計包括參數設置、系統啟停等，電池電量采集模塊采集剩余電量。

圖8 系統軟件流程圖

4 系統調試

■4.1 系統整體仿真

使用Proteus 8 軟件進行系統的仿真，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。初始設置蜂鳴器報警參數為30 次。圖9 是啟動時系統的仿真界面。

圖9 系統整體仿真圖

■4.2 系統實物演示

本系統設計的實物如圖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并實時的將數據顯示到液晶屏幕和發送至藍牙。

圖10 系統實物圖

圖11 藍牙通信

5 結論

本系統實現了將健身數據傳輸到健身者手機端，對健身進行實時跟蹤，并根據個人特點及時調整控制參數，突破了傳統的健身器材單一的功能。