單片機在智能運動裝置中的應用

文/華桂才

1 基于單片機的智能運動裝置設計

1.1 總體設計方案

運動裝置為機器人，在硬件設計中，主要包括輸入、控制與執行三個部分。其中，輸入部分為傳感器電路，通過使用多樣化傳感器對現場信號進行收集；控制電路是對傳感器電路中的信號進行采集和處理，使智能機器人做出各種體育運動；執行系統是借助AT89C51單片機進行控制，使機器人做出各種運動，在執行機構中，驅動電機可實現正轉、反轉以及停止運動等操作，本次設計中驅動電路采用的電機驅動芯片TA7267BP來實現。

1.2 應用電路的設計

圖1：系統結構示意圖

在智能機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現。例如，在尋線傳感器的電路設計中，設備內部具有一對管，一個是發射管，另一個是接受管，從發射管中散發的紅外線可直射到路面后反射回來，對于不同顏色的反射系數有所區別，可以反射光強弱為依據對光線的顏色進行判斷，當兩個管路在白色地面時，發光管可發射出不可見光，通過地面反射給接收管，使接收管開啟，此時傳感器中發出低電平信號；當兩個管路在黑色地面時，發射管發出的不可見光較弱，因此接收管停止運行，傳感器的輸出端為高阻狀態。在應用過程中，應將20K上拉電阻應用其中，將其設置在輸出端與電源正極之間，當傳感器在黑色路面中反射時，能夠使輸出端有穩定的高電平輸出。經過多次檢測，傳感器對光線顏色的有效范圍在25mm以內，在15mm內的穩定性最強，因此在安裝過程中，傳感器與地面之間的距離應設置在10mm左右。在實驗過程中，設備受光線的影響較大，進而對機器人的運動產生影響，應盡量減少實驗環境內的光線照射度，保障實驗效果。

1.3 單片機系統設計

單片機在智能運動裝置中的應用范圍較廣，且應用效果較為理想。本文將AT89C51單片機作為主控元件，對系統電路進行設計，還需要使用EA腳接高電平、20腳接地、12MHz晶振等等，在電路復位方面以手動復位為主。在驅動電路設計方面，從單片機的P1.0口處發出報警信號，將輸出低電平信號時，3D4K管截止，報警器無法發出警報；當P1.0中有高電平信號輸出時，3D4K管處于開啟狀態，報警器發出響聲。

當I/O口為輸出口時，P0口無法直接投入使用，當P0口中存在“0”信號時，位將被拉底，當存在“1”信號時，位處于高阻狀態，即沒有開啟，無法使用。要想獲取“1”信號，則需要將電阻安裝在P0口中，在本次設計中所應用的I/O口數量有限，因此不使用P0口。在輸入口方面，P3.0可對前方是否存在遮擋物進行檢測；P3.1可對是否存在金屬物進行檢測；P3.2可對運動裝置是否發生偏移進行檢測。在輸出口方面，P1.0代表的是報警聲信號；P1.1代表的是報警光信號；P1.3代表的是左電機動作信號；P1.4代表的是右電機信號；P1.7代表的是后尾燈停車信號。

2 STM32單片機控制智能運動監測儀的應用

在現代生活中交通工具十分便利，大部分人都存在運動量不足情況，對個人身體健康產生不良影響。為了解決這一問題，本文以“某社區體育運動大賽”為例，在STM32單片機基礎上，將運動參數監測儀應用其中，為人們體育運動提供技術支持。

2.1 硬件設計

本系統主要包括五個模塊，分別為定位、心率、體溫、計步與傳輸。當傳感器接受到信號后，在濾波的作用下將信號放大，傳遞到單片機中進行處理，最后在液晶顯示器中展示出來。同時，利用傳輸模塊可將單片機數據傳遞到手機APP中進行顯示，系統結構如圖1所示。

2.1.1 定位模塊

利用GPS傳感器可與天線相連接，使信號強度得到顯著提升，利用單片中的5V或3.3V供電即可實現。借助GPS傳感器可對當前運動者所處的具體地點進行展示，精確到經緯度、海拔高度等方面，使運動者在鍛煉時可以對自己所處位置進行監測。

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運動者的心率進行測量。當傳感器中發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脈信息。人體中流動的血液可對部分光線進行吸收，使光線感受器可對反射光進行測量，并將其轉變為電信號，將低通濾波器、放大器等放置到傳感器后方，便可達到信號放大的效果。同時，對分壓電阻進行調節，即可提高單片機AD對信號的采集效率，經由單片機處理后使心率數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，利用單片機中12位存儲溫度值，從理論上來看，精度能夠達到0.05℃，可準確的測量運動者體溫的變化情況，并通過液晶屏幕顯示出來。一旦運動者的體溫超過設定的數值，蜂鳴器將會發出警報，及時提醒運動者。

2.1.4 傳輸模塊

該模塊通過藍牙功能來實現，采用HC-06藍牙模塊替代以往的串口線，應用3.3V供電，波特率可以調節，在本系統中設置為9600Hz，將設備與手機進行配對，實現通信。該設備具有功耗量較低的優勢，在配對時電流大小為30-40mA，在成功配對后，利用單片機便可對運動者的心率、體溫、位置、步數等信息均上傳到手機當中。

2.1.5 計步模塊

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間軸之間的差值，使大量封裝空間得以節約。當人們在體育運動過程中，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的任意一個進行計步則會影響結果的準確性。因此，在利用MPU6050對三軸信息進行綜合采集后，首先進行矢量求和，將三軸的加速度合在一起，然后借助濾波器的作用對信號進行過濾，提高信號平滑度，減少對步數的誤判，提高結果的準確性與科學性。在設備應用過程中，系統每采集50次信息便會進行一次更新，發揮動態閾值的作用，對后50次進行采樣，以此來判斷運動者是否邁步。

2.2 軟件設計

在單片機程序設計方面，主要采用模塊化設計法，包括主程序與子程序兩個部分。在子程序中包括數據收集、鍵盤處理、語音播報等等。當系統連接后，首先進行初始化操作，再對各項數值進行設置，當按鍵按下后，則語言播報、液晶顯示等功能隨之開啟。通過定時器對鍵盤處理子程序進行調用，依靠菜單方式將參數輸入進去，再根據運動者的步伐長度，對其行走的路程、速度等進行計算，通過設置體重、身高、性別、年齡等，對消耗的熱量進行計算。

在手機APP程序設計方面，主要對計步信息進行分析和存儲，包括三個層次，即人機交互層、數據庫、后臺程序。其中，人機交互層能夠便于運動者通過手機完成各項操作，利用后臺程序實現藍牙通信。在個人信息設置方面，可對運動員的身高、性別、體重等信息進行綜合分析，從而計算出消耗的熱量。當手機與藍牙相連接后，利用APP即可對運動參數監測儀中各項數值進行獲取，并將信息存儲到數據庫中。在歷史記錄中，可對運動者每月、每周的運動量進行統計，并以柱狀圖的形式直觀的呈現出來。

3 結語

綜上所述，大量實踐研究表明，基于單片機技術的智能運動監測具有無線傳輸、實時監測、操作簡便等特征，可根據不同運動者的身體情況，對其運動量進行精準測量，在體育運動領域得到廣泛應用。