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1、1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 Microcon
2、trollerAbstract: 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 calculate
3、d 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 s
4、uccessfully 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
5、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
6、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。2图 1 智能哑铃硬件系统结构图Fig.1 Hardware system construction diagram of intelligent dumbbell 2.2 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、
7、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
8、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
9、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
10、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MK60DN512主控模块3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
11、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 pattern 4 关键技术研究4.1 传感器模块与主控模块
12、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。I 2C 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，I 2C 总线被认为从空闲（free）状态进入忙（busy）状态。紧接
13、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4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
14、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.ZYX
15、DR_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
16、= *(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5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_strin
