常鳳楠,陳忠孝,魏建全,史園輝,邵亞強
(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021)
跑步作為一項簡單實用的運動項目,是最有效最健康的鍛煉方式,一直倍受人民的推崇。但是隨著如今霧霾天數(shù)的不斷刷新,都市的大氣變得越來越污濁再加上現(xiàn)代人的生活節(jié)奏多變動而緊張,戶外長跑變的越來越受限。本課題的目的是在傳統(tǒng)機械式跑步機的基礎(chǔ)上進行改善,使其更加舒適節(jié)能、經(jīng)濟適用,并且通過增加語音控制功能為用戶提供一個輕松愉快的室內(nèi)運動環(huán)境。
本項目設(shè)計的跑步機是通過用戶跑步時帶動跑步機履帶繼而利用發(fā)電機為整個系統(tǒng)子模塊供電,系統(tǒng)基于GSM技術(shù)和語音技術(shù),并設(shè)計有USB加濕器、節(jié)能小臺燈、語音播放系統(tǒng)等,可以帶給用戶全面愉快的健身體驗。系統(tǒng)總體組成框圖如下圖1所示:
圖1 系統(tǒng)總體組成框圖
本項目設(shè)計的跑步機,具有以下功能:(1)相對現(xiàn)有的電動式跑步機而言,本項目設(shè)計的跑步機更加經(jīng)濟實惠環(huán)保節(jié)能,在保證安全舒適的前提下占地更?。唬?)支持語音式人機交互,既為用戶提示當(dāng)前跑步狀態(tài)也可以在用戶的要求下在運動的同時播放符合用戶喜好的音樂;(3)增加USB加濕器和節(jié)能小電燈為用戶提供更加濕潤清新的運動環(huán)境和提示小光源;(4)對用戶的使用數(shù)據(jù)進行存儲并分析,得出健康報告以GSM短信方式發(fā)給用戶。
(1)核心控制單元STM32模塊。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)公司生產(chǎn)的STM32F103VB作為系統(tǒng)的主控芯片。STM32F103VB是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的中等容量增強型微控制器,工作頻率為72MHz,內(nèi)部包含豐富的內(nèi)部資源。
(2)LD3320語音模塊。本項目設(shè)計選用LD3320語音芯片,該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路,包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。
(3)GSM無線控制模塊。這里的無線控制模塊采用了GSM技術(shù)。這里選用西門子的MC52i實現(xiàn)對用戶手機發(fā)送跑步數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運行中,當(dāng)用戶給出停止命令時,主控板通過RS-232串行總線控制GSM模塊,通過AT指令將主控計算好的用戶跑步數(shù)據(jù)和用戶鍛煉進行評判,以短信的方式發(fā)送給用戶作為用戶鍛煉的參考。
(4)編碼器模塊。在系統(tǒng)中采用增量式編碼器與機械式跑步機的后軸連接,通過增量式編碼器輸回主控的脈沖數(shù)就可以得到具體的跑步數(shù)據(jù),并將得到的數(shù)據(jù)傳送給單片機處理,最后可通過顯示模塊實時的顯示出來,使用戶能夠隨時地了解自己的跑步狀態(tài)。
(5)顯示、按鍵模塊及其他輔助設(shè)備。本系統(tǒng)中的輔助設(shè)備主要有:USB加濕器、節(jié)能臺燈和小音箱等小型電子設(shè)備。在用戶使用的過程中,編碼器測量用戶的跑步數(shù)據(jù)輸送至主控,由主控將實時數(shù)據(jù)通過顯示模塊實時地顯示出此時的步速、周圍環(huán)境溫濕度等,并以此標(biāo)準(zhǔn)控制是否打開加濕器,為用戶提供較為舒適濕潤的環(huán)境。
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計從功能規(guī)劃上分為兩個大的部分:數(shù)據(jù)采集處理部分和語音交互部分。具體系統(tǒng)軟件功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)實際工作時需要完成一下幾個功能:語音信息處理和編碼器信息處理,以及簡單的邏輯判斷和開關(guān)量的控制。系統(tǒng)的軟件功能圖如下圖2所示:
圖2 系統(tǒng)軟件功能框圖
機械式跑步機結(jié)構(gòu)簡單,易操作。利用微控芯片,機械式跑步機在健身運動時能夠顯示出健身者當(dāng)前的速度、時間、節(jié)拍、距離等運動指標(biāo),使健身者能夠隨時根據(jù)自身的運動狀況調(diào)節(jié)訓(xùn)練強度。在健身器材上安裝自發(fā)電裝置后,讓人們在健身活動中不僅鍛煉身體又能將消耗的體能轉(zhuǎn)換并存儲為電能,再次加以利用。
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