基于STC89C52單片機的自供電智能握力器套的研究

謝將劍+鄒昊+嚴巖+曾玉宗+孫奕

摘 要：研究一種能任意固定在多種力量級的握力器上的智能握力器套，目的在于降低研發(fā)中所需傳感器成本的同時也能分析不同握力鍛煉者的握力情況。同時設(shè)計相應(yīng)的手機APP，將鍛煉器材和智能產(chǎn)品相結(jié)合，讓握力鍛煉科學(xué)化。此外，為了實現(xiàn)對握力器不斷張合的機械能的利用，采用壓電發(fā)電裝置將機械能轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，累積到一定程度可以實現(xiàn)對單片機的供電。文章使用的研究方法主要是探索性研究法。研究成果為基于STC89C52單片機的自供電智能握力器套的硬件實物。通過探索研究，總結(jié)出以下觀點：運動與智能化產(chǎn)品相結(jié)合是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展一個重要的趨勢，壓電發(fā)電模塊體積小能夠在許多地方代替電池的使用等。文章的價值在于將握力鍛煉與智能產(chǎn)品結(jié)合起來，為握力鍛煉者提供一種全新的形式，同時，把壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到了智能運動器件上面，實現(xiàn)了對能源的合理利用。

關(guān)鍵詞：握力器；藍牙；壓電發(fā)電；APP

引言

當今人們生活和工作壓力較大，對于身體健康放松了警惕，許多人沒有時間更沒有毅力去堅持鍛煉。世界衛(wèi)生組織的調(diào)查顯示，全球僅有5%的健康人群，這個數(shù)據(jù)對我們每個人敲響了警鐘。同時多項研究表明，握力是衡量身體健康的重要因素。鍛煉握力能防止多種疾病、治療鼠標手，對于肥胖者、慢性腸胃道疾病患者均有特殊的調(diào)節(jié)功效。本文設(shè)計一種智能握力器套，使用者可以將握力器套固定于任意力量級的握力器上，隨時鍛煉握力，區(qū)別于傳統(tǒng)的純機械式握力器，它可以通過手機APP分析握力數(shù)據(jù)，為使用者提供鍛煉計劃相關(guān)的幫助。同時還能利用壓電發(fā)電裝置為單片機供電，實現(xiàn)能源的有效利用。

1 握力器套的總體架構(gòu)

1.1 外觀構(gòu)造

在結(jié)構(gòu)上，握力套由功能塊和其兩邊的兩臂組成，兩臂用于固定在握力器的雙臂上，功能塊集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、藍牙傳輸、壓電發(fā)電等功能于一體，握力套能裝置于不同力量級的握力器上。

1.2 硬件成分

握力器套以STC89C52單片機為控制核心，包含了數(shù)據(jù)顯示、藍牙傳輸、壓電發(fā)電等功能。顯示模塊用于顯示時間和次數(shù)，按鍵用于感受握力器的張和次數(shù)，以及切換顯示模塊的時間顯示和次數(shù)顯示。藍牙模塊用于與手機APP進行通訊。壓電發(fā)電模塊用于把握力器產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，以供單片機的運行。圖1是硬件設(shè)計總體框圖。

1.3 手機APP

手機APP用于藍牙采集握力數(shù)據(jù)并分析，讓使用者對自己的握力情況有一個直觀的了解。

2 硬件設(shè)計

2.1 STC89C52單片機

STC89C52單片機具有抗干擾性強、速度快、功耗低和指令代碼完全兼容8051單片機等特點[1]。它具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。圖2是STC89C52RC引腳圖[2]。

2.2 按鍵電路

按鍵電路如圖3所示，從上到下依次為KY1、KY2、KY3、KY4。KY1用于檢測握力器的張合次數(shù)；次數(shù)按鍵KY2用于控制數(shù)碼管顯示握力器的張和次數(shù)；時間顯示按鍵KY3用于控制數(shù)碼管顯示握力器的時間，單位為秒；KY4按鍵留于后續(xù)的功能使用。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

4位數(shù)碼管用于顯示握力器張合的次數(shù)和鍛煉的時間，時間單位為秒。圖4為數(shù)碼管顯示電路圖。

2.4 藍牙模塊

這里采用CC2541藍牙模塊用于單片機與手機APP進行通訊，圖5是藍牙模塊的應(yīng)用電路圖。圖中28腳是硬件主從設(shè)置口：3.3V高電平設(shè)置主機透傳模式，接地或者懸空透傳。24腳用于LED狀態(tài)指示，具體對應(yīng)如圖6所示。喚醒模塊設(shè)置有兩種方法：短按系統(tǒng)按鍵SW1（23腳P13引腳）或者直接配對連接。另外，P1_3為輸入管腳，短按控制，可以實現(xiàn)以下功能：模塊處于休眠狀態(tài)時：模塊將被喚醒至正常狀態(tài)，成功喚醒后，串口將會輸出“+WAKE＼t＼n”；模塊處于連接狀態(tài)時：模塊會主動發(fā)起斷開連接請求。在這里，通過藍牙模塊和手機的通訊將握力數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP端，APP進行進一步的數(shù)據(jù)處理。

2.5 壓電發(fā)電模塊

壓電發(fā)電是近年來的新興技術(shù)，而其核心是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電材料是一種依靠外界振動使其發(fā)生變形而發(fā)電的節(jié)能環(huán)保型材料，利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置不但結(jié)構(gòu)上較簡單、不易發(fā)熱、低成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、集成化的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點[3]。在此結(jié)合壓電材料的特性，利用現(xiàn)有的壓電發(fā)電電能收集模塊對壓電片產(chǎn)生的電能進行收集。壓電片采用典型的懸臂梁式雙晶壓電片，懸臂梁中間為金屬層，該層上下表面貼有壓電陶瓷。一端固定在基底上，另一端是自由端。當它受到振動源作用上下振動時，梁的自由端在慣性的作用下也將上下運動，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，壓電陶瓷產(chǎn)生橫向應(yīng)力，將在壓電陶瓷層產(chǎn)生電荷，從而將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能[4]。

將壓電片通過導(dǎo)線和壓電發(fā)電電能收集模塊連接在一起，利用握力器的不斷張合帶動壓電片的自由端上下運動，進而把電能累積起來給單片機供電。圖7為現(xiàn)有壓電發(fā)電電能收集模塊的系統(tǒng)框圖。

3 單片機程序設(shè)計

單片機主程序主要由藍牙程序、按鍵檢測程序、時間記錄程序和顯示程序這四種程序模塊組成。時間記錄程序用于記錄第一次和最后一次握力器張合之間的時間差值。按鍵檢測程序包括感受握力器的張合和選擇數(shù)碼管的次數(shù)或者時間的顯示。若代表握力器張合次數(shù)的按鍵KY2按下，指向執(zhí)行次數(shù)顯示的程序段；若代表指示時間的按鍵按下，指向執(zhí)行時間顯示的程序段。藍牙傳輸程序則是用于建立單片機和手機APP端的連接和通訊。圖8是單片機主程序流程圖。

4 手機APP設(shè)計

本文的軟件基于android系統(tǒng)使用java編程語言進行開發(fā)，軟件可以實現(xiàn)簡潔登錄界面、與手機的藍牙連接傳輸數(shù)據(jù)，此軟件旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓越來越多的人注意并參與到鍛煉中來。

4.1 軟件開發(fā)中應(yīng)用安卓系統(tǒng)的重要性

安卓系統(tǒng)的操作性和實用性比較強，是比較出色的系統(tǒng)[5]，并且其可操作性和實用性比較強，已經(jīng)成為眾多系統(tǒng)中普及性很強的系統(tǒng)。而且安卓系統(tǒng)基本屬于開源系統(tǒng)，對于開發(fā)員、程序員來說使用方便且能充分發(fā)揮理想的對應(yīng)功能，用戶使用也十分友善。圖9為APP設(shè)計流程圖。

4.2 程序開發(fā)

首先搭建eclipse平臺。簡單的說，eclipse是一個開放源代碼的，基于Java的可擴展的開發(fā)平臺。這個過程分為以下幾個步驟；（1）把準備好的Eclipse和JDK安裝到本機上（最好安裝在全英文路徑下），并給JDK配置環(huán)境變量，其中JDK的變量值為JDK安裝路徑的根目錄。（2）在eclipse中安裝ADT（ Android Development Tools），在eclipse編譯IDE環(huán)境中，需要安裝ADT，能夠為安卓開發(fā)者提供開發(fā)工具的升級或者變更。（3）安裝完ADT后，需要在eclipse中指定SDK（Software Development Kit）的路徑，SDK一般是一些被軟件工程師用于為特定的軟件包、軟件框架、硬件平臺、操作系統(tǒng)等建立應(yīng)用軟件的開發(fā)工具的集合，在Android中，它為開發(fā)者提供了庫文件以及其它開發(fā)所用到的工具，簡單的講就是開發(fā)工具包集合，是整體開發(fā)中所用到的工具包。（4）創(chuàng)建AVD，AVD的全稱為：Android Virtual Device，就是Android運行的虛擬設(shè)備，他是Android的模擬器識別。建立的Android要運行，必須創(chuàng)建AVD，每個AVD上可以配置很多的運行項目。

4.3 建立新工程

（1）打開Eclipse，單擊菜單欄的“File”，點擊“New”->在彈出的列表框中，單擊“Android Application Project”選項項，在彈出的窗口中，點擊“Android”項，選擇“Android Application Project”，然后“Next”； （2）在新彈出的窗口中填寫適合目標的信息，搭建好了Android程序且Eclipse左邊會顯示新創(chuàng)建的Android項目。（3）單擊“Run As”再點擊“Android Application”，起動android模擬器等待時間會比較長，等啟動好模擬器之后，即可運行所制作的APP[6]。

4.4 功能與使用

通過手機APP端輸入所使用的握力器的力量級，打開藍牙，和單片機的CC2541藍牙模塊配對連接。傳輸握力數(shù)據(jù)完成后，握力數(shù)據(jù)在APP端通過圖表的形式顯示出來，以供使用者對自己的握力情況進行實時的了解。圖10和圖11是APP的相關(guān)界面。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的智能握力器套成本較低，能夠適用于多種力量級的握力器，對于不同體格的使用者只需購買相應(yīng)力量級的廉價握力器，即能借用該智能硬件和手機APP掌握自己的握力鍛煉情況。同時，壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到硬件設(shè)計中能節(jié)省額外的電能，避免了電池的使用，縮減了硬件體積。本文還簡單介紹了基于安卓系統(tǒng)的APP制作過程，包括搭建平臺和建立工程等。在未來，運動與智能化產(chǎn)品相聯(lián)系、相結(jié)合，是一個重要的方向也是一種必然的趨勢。

參考文獻

[1]周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（22）：10-13.

[2]http：//baike.baidu.com/link？url=HQzxswwj_T2WTcZAo3lz5f314sYc9

GEF4wjLMED5bqHvtfZVk0C3vMHC-GvoIx_JWS_yuIqxJ7A-qi_DuMH

RlYWs54QyGV11nCxXIxrMek3，2017-03-10.

[3]姬玉芳.基于壓電效應(yīng)的壓電發(fā)電技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2011.

[4]徐詩友，潘典旺，劉政昊，等.基于壓電效應(yīng)的傳感器自供電[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（07）：24-25+28.

[5]鄭毅.Android基礎(chǔ)之用Eclipse搭建Android開發(fā)環(huán)境和創(chuàng)建第

一個Android項目[EB/OL].[2017-03-10].http：//www.cnblogs.com/allenzheng/archive/2012/11/10/2762379.html.

[6]吳天亮.試析基于安卓系統(tǒng)的測量軟件開發(fā)技術(shù)[J].通訊世界，2016（07）：295-296.