健身計(jì)步器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苗子蕊 吉麗娜

摘要：為了增加跑步健身運(yùn)動(dòng)中計(jì)步數(shù)值的精確性以及跑步的趣味性，設(shè)計(jì)了基于紅外光電傳感器、OLED顯示屏、MP3模塊以及STM8L嵌入式微處理器的健身跑步計(jì)步器系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了硬件電路和軟件程序的功能。該系統(tǒng)通過(guò)紅外光電傳感器的發(fā)射端通電連續(xù)發(fā)射紅外光，接收端接收紅外紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由單片機(jī)采集電信號(hào)并計(jì)數(shù)，結(jié)果在顯示屏上顯示。此外，加入MP3模塊實(shí)現(xiàn)播放音樂(lè)和語(yǔ)音提示功能，增加了系統(tǒng)的娛樂(lè)性質(zhì)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在不同的步頻數(shù)值下實(shí)現(xiàn)精確的跑步步數(shù)計(jì)數(shù)，滿足跑步用戶的正常使用。

關(guān)鍵詞：健身;跑步;計(jì)步器;紅外光電;傳感器;顯示屏;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）23-0068-04

Abstract： In order to increase the accuracy of step count value and the interest of running in fitness exercise， a pedometer for fitness running system based on infrared photoelectric sensor， OLED display， MP3 module and STM8L embedded microprocessor is designed， then functions of hardware circuit and software program are realized. In this system， transmitter of infrared photoelectric sensor is electrified to continuously emit infrared light， and the receiver receives infrared light and converts it into electrical signal. The electrical signal is collected and counted by single chip microcomputer， and the result is displayed on the display screen. In addition， MP3 module is added to realize the function of playing music and voice prompt， which increases the entertainment nature of the system. The actual test results show that the system can achieve accurate running step count under different step frequency values， and satisfy the normal use of running users.

Key words： fitness; running; pedometer; infrared photoelectric; sensor; microprocessor

跑步是所有健身運(yùn)動(dòng)中較為容易完成的運(yùn)動(dòng)之一，對(duì)健身的場(chǎng)地和器材要求較低，各個(gè)年齡段的健身愛(ài)好者均能參與。每天適當(dāng)?shù)淖呗凡綌?shù)具有釋放工作壓力、促進(jìn)身體血液流動(dòng)以及增強(qiáng)心肺功能等好處[1]。研究表明，人們?cè)诤线m的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和步頻數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行跑步運(yùn)動(dòng)，能夠達(dá)到理想的能量消耗和健康鍛煉效果[2]。基于這些用戶需求，市場(chǎng)上多種健身計(jì)步器產(chǎn)品被開(kāi)發(fā)使用，主要包括可穿戴式手環(huán)、智能手機(jī)App以及運(yùn)動(dòng)品牌公司的智能跑鞋[3-4]。基于手環(huán)和手機(jī)App的計(jì)步原理都是基于加速度傳感器的算法及改進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)[5]，精度較差，而且容易數(shù)據(jù)作假，電子商務(wù)網(wǎng)站例如淘寶網(wǎng)上有專門(mén)針對(duì)手機(jī)跑步的刷步數(shù)的搖擺器，且無(wú)法實(shí)時(shí)查看步數(shù)數(shù)據(jù)，需要抬手或者拿出手機(jī)查看。基于智能跑步鞋的原理是基于壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集，通常會(huì)通過(guò)藍(lán)牙連接手機(jī)App客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)需要在廠商開(kāi)發(fā)的App中查看，不是很方便。

基于現(xiàn)有的健身計(jì)步器存在的不足，本文設(shè)計(jì)一種固定在護(hù)膝綁帶上的智能計(jì)步器，通過(guò)一側(cè)綁帶上的發(fā)射光電二極管模塊發(fā)射紅外光線，另外一側(cè)膝蓋位置的綁帶上固定的紅外光電接收陣列模塊接收光線，當(dāng)跑步過(guò)程中兩腿膝蓋交匯時(shí)刻，接收端收到發(fā)射端的光電信號(hào)，微處理器模塊根據(jù)光電信號(hào)統(tǒng)計(jì)跑步的步數(shù)，在OLED顯示屏顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)控制音頻模塊播放數(shù)字。此外，該智能計(jì)步器還具備音樂(lè)播放功能，根據(jù)用戶的需求設(shè)置相應(yīng)按鍵即可。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 跑步姿態(tài)分析

跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要是上肢兩側(cè)手臂和下肢兩條腿在不停地切換擺動(dòng)，假設(shè)脊椎下端和下半身的交叉點(diǎn)位置固定不變，則左右側(cè)膝蓋的節(jié)點(diǎn)到交叉點(diǎn)位置相當(dāng)于兩個(gè)單擺，交錯(cuò)著前后擺動(dòng)，如圖1所示為人體主要關(guān)節(jié)的簡(jiǎn)化示意圖。

通過(guò)觀察分析跑步過(guò)程中兩側(cè)腿重復(fù)落地和騰空的姿態(tài)發(fā)現(xiàn)，在其中一側(cè)腳掌觸地之后，另一側(cè)跟著從后側(cè)擺動(dòng)到前側(cè)的過(guò)程中，左右兩側(cè)的膝蓋關(guān)節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)位置要交匯相遇一次，如圖2所示，第一幀圖像運(yùn)動(dòng)員左腳著地，右腳跟著往前擺動(dòng)，到第二幀圖像時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)員的右側(cè)膝蓋與左側(cè)膝蓋內(nèi)側(cè)會(huì)交匯相遇，之后距離拉開(kāi)，直到第七幀圖像右腳著地，這個(gè)過(guò)程可以記錄一次步數(shù)。同理，當(dāng)左腳跟著往前繼續(xù)擺動(dòng)往前，左側(cè)膝蓋內(nèi)側(cè)會(huì)交匯遇到右側(cè)膝蓋節(jié)點(diǎn)，一直重復(fù)并記錄步數(shù)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于跑步姿態(tài)的左右側(cè)膝蓋交匯相遇的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于紅外光電對(duì)射開(kāi)關(guān)原理的計(jì)數(shù)器裝置[6-7]，方案的簡(jiǎn)要示意圖如圖3所示，圖3中標(biāo)號(hào)1和4代表護(hù)膝綁帶分別可以套在左右腿的膝蓋范圍處，其中一側(cè)如標(biāo)號(hào)2的位置是一列紅外發(fā)光二極管模塊，打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)后，不斷地向側(cè)方發(fā)射紅外光線;另一側(cè)標(biāo)號(hào)3處是紅外二極管接收模塊，接收信號(hào)后由單片機(jī)系統(tǒng)處理計(jì)數(shù)功能。紅外光電信號(hào)收發(fā)兩端的模塊是獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，可以從護(hù)膝綁帶上拆卸下來(lái)，以便于浸染汗?jié)n的綁帶清洗及循環(huán)使用。