智能哑铃设计论文.doc

*项目报告题 目：智能哑铃设计学 校：东北林业大学指导教师：王琢参赛队成员名单：姓名学校学院学历邮箱题 目：基于K60的智能哑铃设计关键词：智能哑铃 ，K60微控制器 ，陀螺仪 ，加速度计传感器MMA8451 ，语音模块摘要：利用单片机、传感器和语音模块设计一种可以统计训练信息，并将训练结果进行语音播放的智能哑铃。传感器模块实时采集运动信息，并将信息发送给单片机，单片机计算出训练的组数，通过语音模块播放出来，使运动者实时了解运动情况。同时语音模块可识别锻炼者的语音信息，完成对智能哑铃控制信息的输入。通过自行设计所需电路，编写控制程序，成功地实现了哑铃锻炼的智能控制。The Design of Intelligent Dumbbell Based on K60 Microcontroller Abstract:Using microcontroller, sensor and voice module designed an intelligent dumbbell which can count training information and broadcast training results. Sensor module collected training information in real time, sent the information to the microcontroller, then microcontroller calculated the times of training, and broadcast by voice module, made the trainer obtain the motion information of real time.Voice module can identify the trainers voice messages at the same time, completed the control input of the intelligent dumbbell. By designing the circuit, writing control program, it successfully finished the intelligent control of the dumbbell exercise. Keywords: intelligent dumbbell；K60 microcontroller; gyroscope; triaxial accelerometer; voice module1引言随着现代科技水平的飞速发展，智能化已经成为了当代的主题。智能化手机、智能化门铃方便了人的生活；智能化生产流水线、智能化监控体系提高了工作效率。但纵观国内健身器材市场，智能化产品却寥寥无几。把科技的力量和健身器材相结合，进行健身器材的智能化开发和研究成了一个十分必要的课题。在智能哑铃系统设计中加入传感器模块和语音模块，使整个系统具备人机交互功能，能够更好地实现智能健身的目的。2系统主要功能及硬件构成2.1 系统主要功能本设计实现能够采集、处理训练信息，并将训练结果加以语音播放的智能哑铃。智能哑铃共有三部分，分别是主控芯片、传感器模块和语音模块，如图1所示。采用飞思卡尔公司的K60微控制器为主控芯片，处理传感器模块采集的信息，并对语音模块进行信息交互和实时控制。为了能够采集有效信息，传感器采用对运动量可以精确采集的MMA8451三轴加速度计和三轴陀螺仪，它们能够有效地采集训练的信息量，并周期性的发送给MCU。语音模块作为本设计中的人机交互通道，把MCU处理后的有效信息通过语音播报的形式反馈给训练者，并把训练者的语音控制指令传输给MCU，用语音对哑铃进行控制，如选择播放不同的音乐等，实现人机互动的功能。MK60DN512主控模块图1 智能哑铃硬件系统结构图Fig.1 Hardware system construction diagram ofintelligent dumbbell2.2系统硬件构成2.2.1 K60微控制器K60微控制器是飞思卡尔公司在32位K系列MCU基础上推出的新一代的双核微控制器，是拥有卓越的性能的32位微控制器。它的CPU工作频率最高可达80MHz，同时集成了丰富的通信功能、定时器功能和支持高达12位精度的A/D采样功能，广泛应用于无线通信、手持式设备、小家电、基于简化型媒体控制器（SMAC）等系统中。本设计选用K60系列的MK60DN512VLL10单片机（内部拥有128KBFlash，8KBRAM）作为核心部件。2.2.2 MMA8451三轴加速度计加速度计近些年来被广泛地应用到各种智能产品中，包括智能手机、飞机导航系统等领域。MMA8451加速度传感器是飞思卡尔公司生产的一款三轴定位12位/8位精度转换的数字加速度计，16引脚，QFN封装，数字I2C输出。可检测自由落体、运动、脉冲、振动、倾角等，32个采样FIFO，每次采样都通过高通滤波后传入FIFO。MMA8451通过感知X、Y、Z三个自身定位的坐标轴上的加速度（包括重力加速度），并将其模拟量进行A/D转换，变成8位精度的数字量之后，再通过I2C总线传递给MCU。MCU通过把三个轴的分量合并后，与重力加速度进行比较，来确定物体是否加速运动。当只有重力加速度作用的时候，可进一步确定其角度。2.2.3 ENC-03陀螺仪ENC-03陀螺仪是一种微机械陀螺仪，一个陀螺仪能够测量一个轴的角速度，并传递给MCU相应的电压信号，MCU通过其内部集成的A/D采集模块进行数据的读取。通过陀螺仪采集到的角速度和加速度计的重力加速度，可以得到哑铃的空间状态。例如以角速度方向改变作为依据，来进行计数，得到训练者总共做了几次哑铃运动；通过确定两次角速度为零时，加速度计的角度，来确定每次运动转过的角度。2.2.4 语音模块语音模块包括语音识别终端、语音处理器、语音输出终端、SCI模块、SD卡等，通过SCI模块与MK60DN512VLL10主控模块进行通信。本设计采用M08-A语音模块进行信息的输出与反馈，其主要功能有两点：（1）当语音模块处于工作状态时，对其说出特定的词语或句子，此时由麦克识别该声音，之后由内部芯片对其处理，若识别成功，内部的芯片会产生相对应的二进制代码，并访问SD卡中以相同二进制代码命名的一条语音记录，通过扬声器进行播放。此语音内容可人为更改为自己想用的内容。（2）通过输入端接受单片机的SCI模块发来的二进制代码，根据此二进制代码访问语音模块SD卡中以相同二进制代码命名的一条语音记录4，通过扬声器进行播放。3系统软件设计本设计采用C语言编程，使用Code Warrior 5开发环境，通过BDM进行调试和下载。系统软件设计流程如图2所示。MCU初始化各个驱动程序之后，等待语音模块通过SCI模块发来信息，当语音模块接收到“开始”命令之后，发送信息给MCU。MCU接收到开始信息之后，通过PIT中断实现周期性的采集陀螺仪和加速度计的数值，并储存到内存中。被MCU不断分析来获取哑铃的状态并进行计数。当接收到“停止”指令后，停止采集。在采集数据期间，各个采集时刻的每个坐标轴上的受力就可通过F=ma求得，这里要求哑铃的重量已知，软件设计把陀螺仪和加速度计的三个坐标轴重合。为了让MCU能通过累加计算出每次采集周期内所用的功，锻炼者需要在发出“开始”信息之前，选择自己的小臂长度或者采用系统默认值。采集停止之后，通过语音模块把运动次数和所做的功全部反馈给训练者，让训练者清楚地了解自己本次的训练结果。图2软件流程图Fig.2 Software flow pattern4关键技术研究4.1传感器模块与主控模块的通信MMA8451加速度传感器与主控模块通过模拟I2C总线进行通信。I2C总线使用三根信号线进行通信，分别是SCL、SDA和SA0，外部上拉电阻将加速度计的SDA接单片机的PM 0口，SCL接单片机的PM 1口，当总线空闲时，这两根线表现为高电平状态。MMA8451的I2C接口可工作在快速模式400KHz或普通模式100KHz。总线传输开始由START信号触发，START信号定义为，当数据线从高电平跳变到低电平，而时钟线SCL仍然保持高电平。当由主机发送START信号后，I2C总线被认为从空闲（free）状态进入忙（busy）状态。紧接着START信号后主机发送的字节，前7位用于指示从机地址，第8位用于指示数据方向是“读出”（“1”数据从从机到主机）还是“写入”（“0”数据从主机到从机）。地址发送完毕后，总线上的所有从机将自己的地址和总线上接收到的地址进行比较，地址匹配的设备即为主机选中设备。4.2 MMA8451加速度计运动信息采集和处理程序中的信息采集是通过PIT中断周期性进行的，哑铃运动不需要过快的处理速度，因此，中断采集速度不能过快。在设计中我们选择采集频率为100Hz，及设定PIT每10ms中断一次。加速度计和陀螺仪采集到的数据经过物理回归之后，得到相对应的各坐标轴的带有符号的加速度和角速度。通过对角速度方向变化的判别，可以确定是否发生转向，两次转向算一次，这样就可以进行计数了。如果把每一时刻各轴的角速度和加速度带符号相乘，再乘上设定小臂的长度，就能得到每一个10ms内功率，乘上时间就得到了功，把三个轴的功累加后求和，就得到了总功。MMA8451加速度计信息采集部分核心代码如下：_interrupt void isr_PIT1(void) /读取加速度计的各轴加速度 DisableInterrupt(); RegisterFlag.Byte = MMA845X_readbyte(STATUS_00_REG); / /读取标志位 if(RegisterFlag.ZYXDR_BIT = 1) MmaX = MMA845X_readbyte(OUT_X_MSB_REG); /读取X轴的加速度 MmaY = MMA845X_readbyte(OUT_Y_MSB_REG); /读取Y轴的加速度 MmaZ = MMA845X_readbyte(OUT_Z_MSB_REG); /读取Z轴的加速度 Mmastate+; PITTF|=1 0x7F)x = x + 1; if(y 0x7F)y = y + 1; if(z 0x7F)z = z + 1; if(z 100 & y *(buf+1) (*(buf+1)+; if(z 100 & y 60) if(*buf = *(buf+1) (*buf)+; 4.3语音模块与主控模块的通信（1）设定关键字通过串口操作，给语音模块设定可识别的关键字。（2）本设计中采用的ASRM08-A非特定人语音识别模块，支持特有格式的ASR指令，指令由ASC码组成，例如播放第三个语音文件的指令：“play，003，”其对应的ASC码的十六进制数如下：p0x70、l0x6c、a0x61 y0x79、,0x2c、00x30、00x30、30x33、,0x2c、0x24。通过串口发送指令的ASC码对应的十六进制数就相当于发送了那条指令。代码如下：unsigned char putstring=0x70,0x6C,0x61,0x79,0x2C,0x30,0x30,0x33,0x2C,0x24; /发送字符play,003,$void send_string(unsigned char *putchar) unsigned int j; for(j=0;j0) send_data(19+bai); m_delay(14); if(bai0)&(shi=0)&(ge0) send_data(1); m_delay(7); if(shi0) send_data(10+shi); m_delay(14); if(shi=0)&(ge=0)&(bai=0) send_data(1); m_delay(7); if(ge0) send_data(1+ge);m_delay(14);5.系统创新此智能哑铃是将微控制器、传感器以及语音播放模块有机结合设计出的一种新型运动器械，具有信息灵敏度高，更具人性化，便捷化的特点。与传统哑铃机械式的锻炼方式相比，能更好地实现对健身计划的指导作用，达到科学健身的目的。智能健身器械的研究和开发将有广阔的应用前景和实际意义。6.评测与结论采用K60系列32位单片机，通过三轴加速度传感器对数据采集，实现对训练者每次训练所消耗的功的计算和统计总共做的次数的功能，以此反馈给训练者相适合的训练计划；通过语音识别模块采