基于恒功率健身车的心肺耐力测试系统的设计与实现

摘要

心肺耐力表征人体持续身体活动的能力，其体现人体在一定运动强度下的心肺功能能力，被认为是健康体适能评价指标体系中最重要的指标之一。对于大众人群而言，一个好的心肺耐力水平可以大大预防很多疾病的发生。而传统的心肺耐力检测设备由于其专业性高，风险性大以及其高昂的价格等因素，使得其很难向大众普及，从而导致当前关于大众健康领域心肺耐力的研究及其普及程度仍无法满足迫切的应用需求。因此，本文开展了基于恒功率健身车的心肺耐力评估系统的研究，主要工作内容包括:
　　(1)智能化恒功率健身车的硬件设计。基于传统健身车的机架改造，使用绕匝线圈代替磁铁，设计了一种新型的磁阻发生装置，通过PWM原理实现对健身车磁阻的快速调节;健身车的速度、压力等信号值的采集;测试者心率采集;有线及无线数据通信设计。
　　(2)智能化恒功率健身车的软件设计。软件设计包括下位机软件和上位机软件，其中下位机软件主要包括功率的计算与恒定功率控制，上位机软件包括用户的信息管理，常规锻炼与心肺耐力测试，心率与运动数据的显示，测试报告显示与上传以及良好的人机交互，下位机与上位机间的通信协议设计。
　　(3)基于恒功率健身车的心肺耐力测试方案及其准确性验证。最大摄氧量(VO2max)的值是评判心肺耐力好坏的标准指标，最大摄氧量的测量方法分为直接测量法和间接测量法，其中直接测量法由于其测量设备昂贵、测量过程复杂、测试风险高而难以在大众人群中普及，因此本文选择了两种常用的间接测量法—YMCA法和Fox法，基于恒功率健身车的测试平台，依据这两种测试方法，计算出测试者一定时间，一定运动强度下的心率值，并根据相应的公式来预测测试者的最大摄氧量值，同时依据该值来评估测试者的心肺耐力状况，为了验证本设备在这两种测试方案下测试结果的准确性，本文选取了心肺耐力测量金标准设备-MORNK功率车做实验对比，经统计分析，发现两设备测试结果相关性较高，表明了本文设计的基于恒功率健身车的心肺耐力评估系统具有较好的科学性和有效性;
　　本论文主要创新点包括:
　　1.设计和实现了一种新型的健身车阻力调控方式，通过PWM原理调节输出电压，进而调节线圈磁场强度，实现阻力的快速调节，该阻力调控方式较传统的阻尼式健身车阻力调控范围更广，调控精度更高，调控速度更快，为系统恒功率控制提供了先决条件。
　　2.实现了运动过程中的恒定功率输出，使用PID控制原理，并依据上文所述的阻力调控方式，实时调节阻力的大小使系统输出功率达到并保持所设定的目标功率，保障了心肺耐力测试中对测试设备恒功输出的要求。
　　3.在设计和实现的恒功率健身车平台上使用了两种简单有效的心肺耐力间接测试方案，为大众人群的心肺耐力测试提供了一套切实可行的解决方案。同时解决了国外测试设备高昂的价格，并填补了国内功率车心肺耐力测试设备的空白。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与目的

1．2 国内外心肺耐力测试研究现状

1．3 本论文的工作及章节安排

1．3．1 本文的工作

1．3．2 本文的章节安排

第二章 系统总体设计方案与理论分析

2．1 智能化恒功率健身车需求分析与设计概述

2．1．1 智能化恒功率健身车需求分析

2．1．2 智能化恒功率健身车总体设计概述

2．2 恒功率健身车电磁控原理

2．2．1 电磁阻力原理分析

2．2．2 电磁控原理分析

2．2．3 电磁阻发生装置的实现

2．3 恒功率健身车恒功率控制原理

2．4 心肺耐力测试原理

2．4．1 Fox法最大摄氧量测量原理

2．4．2 YMCA法最大摄氧量测量原理

2．5 本章小结

第三章 恒功率健身车硬件设计

3．1 数据处理与控制单元

3．2 功率采集单元

3．2．1 压力采集单元

3．2．2 转速采集单元

3．3 心率采集单元

3．4 数据通信单元

3．4．1 有线数据通信

3．4．2 无线数据通信

3．5 本章小结

第四章 恒功率健身车软件设计

4．1 下位机软件设计

4．2 上位机软件设计

4．2．1 开机系统自检

4．2．2 用户登录／注册

4．2．3 测试训练数据显示及控制

4．2．4 心肺耐力测试

4．2．5 测试结果显示

4．2．6 数据信息管理

4．3 串口通信协议设计

4．4 本章小结

第五章 恒功率健身车心肺耐力测试验证

5．1 基于YMCA测试法的准确性和重复性验证

5．1．1 实验对象及环境

5．1．2 实验方法

5．1．3 实验结果

5．2 基于Fox测试法的准确性和重复性验证

5．2．1 实验对象及环境

5．2．2 实验方法

5．2．3 实验结果

5．3 讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究不足与下步计划

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的成果