单片机在智能运动装置中的应用

文/华桂才

1 基于单片机的智能运动装置设计

1.1 总体设计方案

运动装置为机器人，在硬件设计中，主要包括输入、控制与执行三个部分。其中，输入部分为传感器电路，通过使用多样化传感器对现场信号进行收集；控制电路是对传感器电路中的信号进行采集和处理，使智能机器人做出各种体育运动；执行系统是借助AT89C51单片机进行控制，使机器人做出各种运动，在执行机构中，驱动电机可实现正转、反转以及停止运动等操作，本次设计中驱动电路采用的电机驱动芯片TA7267BP来实现。

1.2 应用电路的设计

图1：系统结构示意图

在智能机器人中具有寻找线路、躲避障碍、检测金属等功能，主要依靠传感器来实现。例如，在寻线传感器的电路设计中，设备内部具有一对管，一个是发射管，另一个是接受管，从发射管中散发的红外线可直射到路面后反射回来，对于不同颜色的反射系数有所区别，可以反射光强弱为依据对光线的颜色进行判断，当两个管路在白色地面时，发光管可发射出不可见光，通过地面反射给接收管，使接收管开启，此时传感器中发出低电平信号；当两个管路在黑色地面时，发射管发出的不可见光较弱，因此接收管停止运行，传感器的输出端为高阻状态。在应用过程中，应将20K上拉电阻应用其中，将其设置在输出端与电源正极之间，当传感器在黑色路面中反射时，能够使输出端有稳定的高电平输出。经过多次检测，传感器对光线颜色的有效范围在25mm以内，在15mm内的稳定性最强，因此在安装过程中，传感器与地面之间的距离应设置在10mm左右。在实验过程中，设备受光线的影响较大，进而对机器人的运动产生影响，应尽量减少实验环境内的光线照射度，保障实验效果。

1.3 单片机系统设计

单片机在智能运动装置中的应用范围较广，且应用效果较为理想。本文将AT89C51单片机作为主控元件，对系统电路进行设计，还需要使用EA脚接高电平、20脚接地、12MHz晶振等等，在电路复位方面以手动复位为主。在驱动电路设计方面，从单片机的P1.0口处发出报警信号，将输出低电平信号时，3D4K管截止，报警器无法发出警报；当P1.0中有高电平信号输出时，3D4K管处于开启状态，报警器发出响声。

当I/O口为输出口时，P0口无法直接投入使用，当P0口中存在“0”信号时，位将被拉底，当存在“1”信号时，位处于高阻状态，即没有开启，无法使用。要想获取“1”信号，则需要将电阻安装在P0口中，在本次设计中所应用的I/O口数量有限，因此不使用P0口。在输入口方面，P3.0可对前方是否存在遮挡物进行检测；P3.1可对是否存在金属物进行检测；P3.2可对运动装置是否发生偏移进行检测。在输出口方面，P1.0代表的是报警声信号；P1.1代表的是报警光信号；P1.3代表的是左电机动作信号；P1.4代表的是右电机信号；P1.7代表的是后尾灯停车信号。

2 STM32单片机控制智能运动监测仪的应用

在现代生活中交通工具十分便利，大部分人都存在运动量不足情况，对个人身体健康产生不良影响。为了解决这一问题，本文以“某社区体育运动大赛”为例，在STM32单片机基础上，将运动参数监测仪应用其中，为人们体育运动提供技术支持。

2.1 硬件设计

本系统主要包括五个模块，分别为定位、心率、体温、计步与传输。当传感器接受到信号后，在滤波的作用下将信号放大，传递到单片机中进行处理，最后在液晶显示器中展示出来。同时，利用传输模块可将单片机数据传递到手机APP中进行显示，系统结构如图1所示。

2.1.1 定位模块

利用GPS传感器可与天线相连接，使信号强度得到显著提升，利用单片中的5V或3.3V供电即可实现。借助GPS传感器可对当前运动者所处的具体地点进行展示，精确到经纬度、海拔高度等方面，使运动者在锻炼时可以对自己所处位置进行监测。

2.1.2 心率模块

该模块主要采用Pulsesensor传感器，利用光电透射测量的方式对运动者的心率进行测量。当传感器中发出绿光照射在皮肤上，光线的峰值波长为515mm，刚好能够捕捉到皮肤浅层的微动脉信息。人体中流动的血液可对部分光线进行吸收，使光线感受器可对反射光进行测量，并将其转变为电信号，将低通滤波器、放大器等放置到传感器后方，便可达到信号放大的效果。同时，对分压电阻进行调节，即可提高单片机AD对信号的采集效率，经由单片机处理后使心率数值显示到液晶屏幕中。

2.1.3 体温模块

该模块采用DS18B20传感器，不需要将其他原件接入其中，利用单片机中12位存储温度值，从理论上来看，精度能够达到0.05℃，可准确的测量运动者体温的变化情况，并通过液晶屏幕显示出来。一旦运动者的体温超过设定的数值，蜂鸣器将会发出警报，及时提醒运动者。

2.1.4 传输模块

该模块通过蓝牙功能来实现，采用HC-06蓝牙模块替代以往的串口线，应用3.3V供电，波特率可以调节，在本系统中设置为9600Hz，将设备与手机进行配对，实现通信。该设备具有功耗量较低的优势，在配对时电流大小为30-40mA，在成功配对后，利用单片机便可对运动者的心率、体温、位置、步数等信息均上传到手机当中。

2.1.5 计步模块

该模块使用的是MPU6050传感器，与以往多组件相比，无需考虑组合陀螺仪与时间轴之间的差值，使大量封装空间得以节约。当人们在体育运动过程中，传感器的佩戴方向、位置不尽相同，如若单纯采用三轴传感器中的X、Y、Z的任意一个进行计步则会影响结果的准确性。因此，在利用MPU6050对三轴信息进行综合采集后，首先进行矢量求和，将三轴的加速度合在一起，然后借助滤波器的作用对信号进行过滤，提高信号平滑度，减少对步数的误判，提高结果的准确性与科学性。在设备应用过程中，系统每采集50次信息便会进行一次更新，发挥动态阈值的作用，对后50次进行采样，以此来判断运动者是否迈步。

2.2 软件设计

在单片机程序设计方面，主要采用模块化设计法，包括主程序与子程序两个部分。在子程序中包括数据收集、键盘处理、语音播报等等。当系统连接后，首先进行初始化操作，再对各项数值进行设置，当按键按下后，则语言播报、液晶显示等功能随之开启。通过定时器对键盘处理子程序进行调用，依靠菜单方式将参数输入进去，再根据运动者的步伐长度，对其行走的路程、速度等进行计算，通过设置体重、身高、性别、年龄等，对消耗的热量进行计算。

在手机APP程序设计方面，主要对计步信息进行分析和存储，包括三个层次，即人机交互层、数据库、后台程序。其中，人机交互层能够便于运动者通过手机完成各项操作，利用后台程序实现蓝牙通信。在个人信息设置方面，可对运动员的身高、性别、体重等信息进行综合分析，从而计算出消耗的热量。当手机与蓝牙相连接后，利用APP即可对运动参数监测仪中各项数值进行获取，并将信息存储到数据库中。在历史记录中，可对运动者每月、每周的运动量进行统计，并以柱状图的形式直观的呈现出来。

3 结语

综上所述，大量实践研究表明，基于单片机技术的智能运动监测具有无线传输、实时监测、操作简便等特征，可根据不同运动者的身体情况，对其运动量进行精准测量，在体育运动领域得到广泛应用。