基于STC89C52单片机的自供电智能握力器套的研究

谢将剑+邹昊+严岩+曾玉宗+孙奕

摘 要：研究一种能任意固定在多种力量级的握力器上的智能握力器套，目的在于降低研发中所需传感器成本的同时也能分析不同握力锻炼者的握力情况。同时设计相应的手机APP，将锻炼器材和智能产品相结合，让握力锻炼科学化。此外，为了实现对握力器不断张合的机械能的利用，采用压电发电装置将机械能转化为电能存储起来，累积到一定程度可以实现对单片机的供电。文章使用的研究方法主要是探索性研究法。研究成果为基于STC89C52单片机的自供电智能握力器套的硬件实物。通过探索研究，总结出以下观点：运动与智能化产品相结合是物联网发展一个重要的趋势，压电发电模块体积小能够在许多地方代替电池的使用等。文章的价值在于将握力锻炼与智能产品结合起来，为握力锻炼者提供一种全新的形式，同时，把压电发电技术应用到了智能运动器件上面，实现了对能源的合理利用。

关键词：握力器；蓝牙；压电发电；APP

引言

当今人们生活和工作压力较大，对于身体健康放松了警惕，许多人没有时间更没有毅力去坚持锻炼。世界卫生组织的调查显示，全球仅有5%的健康人群，这个数据对我们每个人敲响了警钟。同时多项研究表明，握力是衡量身体健康的重要因素。锻炼握力能防止多种疾病、治疗鼠标手，对于肥胖者、慢性肠胃道疾病患者均有特殊的调节功效。本文设计一种智能握力器套，使用者可以将握力器套固定于任意力量级的握力器上，随时锻炼握力，区别于传统的纯机械式握力器，它可以通过手机APP分析握力数据，为使用者提供鍛炼计划相关的帮助。同时还能利用压电发电装置为单片机供电，实现能源的有效利用。

1 握力器套的总体架构

1.1 外观构造

在结构上，握力套由功能块和其两边的两臂组成，两臂用于固定在握力器的双臂上，功能块集数据显示、数据存储、蓝牙传输、压电发电等功能于一体，握力套能装置于不同力量级的握力器上。

1.2 硬件成分

握力器套以STC89C52单片机为控制核心，包含了数据显示、蓝牙传输、压电发电等功能。显示模块用于显示时间和次数，按键用于感受握力器的张和次数，以及切换显示模块的时间显示和次数显示。蓝牙模块用于与手机APP进行通讯。压电发电模块用于把握力器产生的机械能转化为电能，以供单片机的运行。图1是硬件设计总体框图。

1.3 手机APP

手机APP用于蓝牙采集握力数据并分析，让使用者对自己的握力情况有一个直观的了解。

2 硬件设计

2.1 STC89C52单片机

STC89C52单片机具有抗干扰性强、速度快、功耗低和指令代码完全兼容8051单片机等特点[1]。它具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。图2是STC89C52RC引脚图[2]。

2.2 按键电路

按键电路如图3所示，从上到下依次为KY1、KY2、KY3、KY4。KY1用于检测握力器的张合次数；次数按键KY2用于控制数码管显示握力器的张和次数；时间显示按键KY3用于控制数码管显示握力器的时间，单位为秒；KY4按键留于后续的功能使用。

2.3 数码管显示电路

4位数码管用于显示握力器张合的次数和锻炼的时间，时间单位为秒。图4为数码管显示电路图。

2.4 蓝牙模块

这里采用CC2541蓝牙模块用于单片机与手机APP进行通讯，图5是蓝牙模块的应用电路图。图中28脚是硬件主从设置口：3.3V高电平设置主机透传模式，接地或者悬空透传。24脚用于LED状态指示，具体对应如图6所示。唤醒模块设置有两种方法：短按系统按键SW1（23脚P13引脚）或者直接配对连接。另外，P1_3为输入管脚，短按控制，可以实现以下功能：模块处于休眠状态时：模块将被唤醒至正常状态，成功唤醒后，串口将会输出“+WAKE＼t＼n”；模块处于连接状态时：模块会主动发起断开连接请求。在这里，通过蓝牙模块和手机的通讯将握力数据传输到手机APP端，APP进行进一步的数据处理。

2.5 压电发电模块

压电发电是近年来的新兴技术，而其核心是利用压电材料的压电效应。压电材料是一种依靠外界振动使其发生变形而发电的节能环保型材料，利用压电材料制作的压电发电装置不但结构上较简单、不易发热、低成本，而且能够实现小型化、集成化的结构等优点[3]。在此结合压电材料的特性，利用现有的压电发电电能收集模块对压电片产生的电能进行收集。压电片采用典型的悬臂梁式双晶压电片，悬臂梁中间为金属层，该层上下表面贴有压电陶瓷。一端固定在基底上，另一端是自由端。当它受到振动源作用上下振动时，梁的自由端在惯性的作用下也将上下运动，悬臂梁将发生弯曲变形，压电陶瓷产生横向应力，将在压电陶瓷层产生电荷，从而将机械振动能转换为电能[4]。

将压电片通过导线和压电发电电能收集模块连接在一起，利用握力器的不断张合带动压电片的自由端上下运动，进而把电能累积起来给单片机供电。图7为现有压电发电电能收集模块的系统框图。

3 单片机程序设计

单片机主程序主要由蓝牙程序、按键检测程序、时间记录程序和显示程序这四种程序模块组成。时间记录程序用于记录第一次和最后一次握力器张合之间的时间差值。按键检测程序包括感受握力器的张合和选择数码管的次数或者时间的显示。若代表握力器张合次数的按键KY2按下，指向执行次数显示的程序段；若代表指示时间的按键按下，指向执行时间显示的程序段。蓝牙传输程序则是用于建立单片机和手机APP端的连接和通讯。图8是单片机主程序流程图。

4 手机APP设计

本文的软件基于android系统使用java编程语言进行开发，软件可以实现简洁登录界面、与手机的蓝牙连接传输数据，此软件旨在利用物联网技术让越来越多的人注意并参与到锻炼中来。

4.1 软件开发中应用安卓系统的重要性

安卓系统的操作性和实用性比较强，是比较出色的系统[5]，并且其可操作性和实用性比较强，已经成为众多系统中普及性很强的系统。而且安卓系统基本属于开源系统，对于开发员、程序员来说使用方便且能充分发挥理想的对应功能，用户使用也十分友善。图9为APP设计流程图。

4.2 程序开发

首先搭建eclipse平台。简单的说，eclipse是一个开放源代码的，基于Java的可扩展的开发平台。这个过程分为以下几个步骤；（1）把准备好的Eclipse和JDK安装到本机上（最好安装在全英文路径下），并给JDK配置环境变量，其中JDK的变量值为JDK安装路径的根目录。（2）在eclipse中安装ADT（ Android Development Tools），在eclipse编译IDE环境中，需要安装ADT，能夠为安卓开发者提供开发工具的升级或者变更。（3）安装完ADT后，需要在eclipse中指定SDK（Software Development Kit）的路径，SDK一般是一些被软件工程师用于为特定的软件包、软件框架、硬件平台、操作系统等建立应用软件的开发工具的集合，在Android中，它为开发者提供了库文件以及其它开发所用到的工具，简单的讲就是开发工具包集合，是整体开发中所用到的工具包。（4）创建AVD，AVD的全称为：Android Virtual Device，就是Android运行的虚拟设备，他是Android的模拟器识别。建立的Android要运行，必须创建AVD，每个AVD上可以配置很多的运行项目。

4.3 建立新工程

（1）打开Eclipse，单击菜单栏的“File”，点击“New”->在弹出的列表框中，单击“Android Application Project”选项项，在弹出的窗口中，点击“Android”项，选择“Android Application Project”，然后“Next”； （2）在新弹出的窗口中填写适合目标的信息，搭建好了Android程序且Eclipse左边会显示新创建的Android项目。（3）单击“Run As”再点击“Android Application”，起动android模拟器等待时间会比较长，等启动好模拟器之后，即可运行所制作的APP[6]。

4.4 功能与使用

通过手机APP端输入所使用的握力器的力量级，打开蓝牙，和单片机的CC2541蓝牙模块配对连接。传输握力数据完成后，握力数据在APP端通过图表的形式显示出来，以供使用者对自己的握力情况进行实时的了解。图10和图11是APP的相关界面。

5 结束语

本文所设计的智能握力器套成本较低，能够适用于多种力量级的握力器，对于不同体格的使用者只需购买相应力量级的廉价握力器，即能借用该智能硬件和手机APP掌握自己的握力锻炼情况。同时，压电发电技术应用到硬件设计中能节省额外的电能，避免了电池的使用，缩减了硬件体积。本文还简单介绍了基于安卓系统的APP制作过程，包括搭建平台和建立工程等。在未来，运动与智能化产品相联系、相结合，是一个重要的方向也是一种必然的趋势。

参考文献

[1]周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计[J].现代电子技术，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.基于压电效应的压电发电技术研究[D].中北大学，2011.

[4]徐诗友，潘典旺，刘政昊，等.基于压电效应的传感器自供电[J].物联网技术，2015（07）：24-25+28.

[5]郑毅.Android基础之用Eclipse搭建Android开发环境和创建第

一个Android项目[EB/OL].[2017-03-10].http：//www.cnblogs.com/allenzheng/archive/2012/11/10/2762379.html.

[6]吴天亮.试析基于安卓系统的测量软件开发技术[J].通讯世界，2016（07）：295-296.