便携式自行车健身器的嵌入式系统设计与开发

摘要

随着国内经济水平、生活质量的提高，人们对健身的意识越来越强，但是由于受到环境污染、交通拥挤或者天气原因的影响，健身车作为一种简单、低成本的室内健身器材，深受人们的喜爱。传统的自行车健身器大部分采用机械式调阻，存在功能单一、阻力控制繁琐、未量化健身指标等不足，已不能满足市场发展需求。在“万物智能”的今天，有必要结合现代嵌入式技术和互联网+技术，开发一种智能化、便携式的、方便易用型的自行车健身器，具有无线无级调阻、自发电、互联智能手机以及运动和锻炼数据监测分析等功能。
　　本论文针对传统自行车健身器的不足，采用电磁制动和能耗制动原理，开展基于嵌入式的便携式自行车健身器的控制系统的设计和开发，实现对健身器的阻力、运动模式的实时无线控制，对健身者的运动情况进行记录和分析，使控制系统具有蓝牙无线控制、无级调阻和健身数据监测分析等功能。就此展开如下研究内容：
　　首先，设计基于电磁制动和能耗制动为原理的两种型号的非接触式制动的阻力制动装置，以实现无摩擦、无损耗和无噪音的骑行阻力控制；
　　其次，设计便携式自行车健身器的嵌入式控制系统的硬件。以低成本高性能的ARM-LPC1114芯片为核心，设计两种阻力控制电路、多种传感器接口电路，无线控制电路以及电源电路等；采用PWM脉宽调制实现无级调阻，通过外接的各类传感器实现速度、功率、卡路里、温度、心率等信息的采集和换算；使用基于低功耗、高可靠性和可扩展性的蓝牙4.0的CC2541通讯芯片实现无线控制。
　　然后，设计便携式自行车健身器的嵌入式控制系统的软件。软件系统基于RTX实时操作系统作为主体程序设计框架，采用多任务设计方法，设计并实现蓝牙通讯、制动阻力控制、速度采集换算、LED动感效果及温度监测等的子任务功能模块。使设计的系统构架具有模块化、任务化和实时化，既保证系统的稳定性，同时能够便于功能扩展和完善。
　　最后，实现便携式自行车健身器的嵌入式控制系统软硬件的研制，并对其进行功能和性能测试。实验验证本文设计和实现的两种形式的便携式自行车健身器的嵌入式系统，能够实时无线无级调节阻力，可以对心率、温度、健身时间、实时速度、骑行距离、消耗的卡路里进行采集和计算，能够对健身者的运动数据进行监测和分析，能够满足设计要求和用户的各类健身需求。
　　本论文研究的便携式自行车健身器的嵌入式系统，与上位机控制器结合，实现了无线操控，无级调阻，让用户获得数据化的健身信息、数量化的健身强度和舒适化的体验效果。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 组织结构

1.5 本章小结

第2章 系统设计及构架

2.1 引言

2.2 系统整体设计

2.3 系统构架

2.5 本章小结

第3章 嵌入式自行车健身器的阻力制动装置设计

3.1 引言

3.2 阻力制动系统

3.3 阻力制动装置设计

3.4 本章小结

第4章 便携式自行车健身器嵌入式系统的硬件设计

4.1 引言

4.2 硬件整体结构设计

4.3 嵌入式有源I型电磁制动自行车健身器的硬件设计

4.4 嵌入式无源II型能耗制动自行车健身器的硬件设计

4.4 本章小结

第5章 便携式自行车健身器嵌入式系统的软件设计

5.1 引言

5.2 软件整体设计构建

5.3 RTX实时操作系统

5.4 各个任务具体程序设计

5.5 本章小结

第6章 系统设计实现与测试

6.1 引言

6.2 软件开发调试平台

6.3 嵌入式自行车健身器设计实现与调试

6.4 成果展示

6.5 本章总结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果