基于磁阻划船的运动康复设备电控系统设计与实现

叶小灿

（安徽省食品药品检验研究院，安徽 合肥 230051）

一、绪论

随着我国人民生活方式改变（如体力活动减少、静坐少动增多、油盐摄入过量等）和快速步入老龄化社会，与生活方式和增龄性相关的慢性非传染性疾病越来越多[1]：如心脑血管疾病、肿瘤、高血压、糖尿病、骨质疏松、慢性疲劳综合征等，给国家、社会、家庭和个人都带来巨大的负担和痛苦[2]。运动作为一种促进健康的有效手段，在全世界范围内得到广泛认可和证实，美国运动医学学会提出“运动是良药、运动是良医”，国内外诸多学者也已证实运动在降低血压、防治糖尿病、提高骨密度、增强免疫力、缓解疲劳和抑郁等方面都有积极作用[3，4]。划船器是一种可用于室内运动康复的常用器械，具有占地空间小、成本低、对膝关节冲击小、可以同时锻炼人体80%以上大肌肉群等优点[5]，因此，一直受到健身和康复领域的青睐。但是，目前市场上的划船器产品普通存在信息化和智能化程度不高、缺少科学训练指导等问题，使得普及推广受到限制。针对这种情况，本文设计了一种基于磁阻划船器的电控系统，用于实现传统划船器的智能化改造，实现基于划船器的运动处方自动下载、解析和引导执行，运动过程数据监测和上传系统平台。

二、总体设计

为了保证基于划船动作的康复训练的科学性、安全性和有效性，其电控系统应满足的基本功能有：

（1）根据运动处方，电控系统能够实现阻力调节，即控制运动强度和运动输出功率。

（2）电控系统与健康管理系统平台实时互联互通，一方面实时获取运动处方，另一方面训练结束后可即时上传训练记录和报告，为一次训练计划的优化提供依据。

（3）训练过程中电控系统实时监测转速（即相对运动强度）和运动者的心率（相对锻炼效果），保证安全性和有效性。

根据功能需求分析，本设计将电控系统分为网络模块、人机交互模块、运动监测模块和阻力输出模块。其中，（1）网络模块结合锻炼者个人信息在系统管理平台获取运动处方，使得每位康复训练者都能获取其个性化的运动康复方案，另外，网络模块还将锻炼者每次的训练时长，训练效果，训练强度等参数进行回传系统管理平台，为后续运动方案优化调整提供数据支撑。(2)人机交互模块：人机交互模块采用串口触摸屏，用于输入必要的训练者个人信息（身高、体重等）以获取系统管理平台运动处方，同时还会在训练过程中给予运动指导和运动时长、训练强度、训练效果等参数来引导训练者执行方案。（3）运动监测模块：运动检测模块通过心率脉动传感器检测实时心率，霍尔转速传感器检测从动阻力轮的转速，结合训练时长可计算训练强度。（4）阻力驱动模块：阻力输出模块通过控制改变磁石块与铁阻力轮的距离，达到控制输出阻力的效果。系统结构的组成如图1所示。

图1 电控系统结构

三、硬件设计与实现

（一）人机交互模块

为了达到显示美观、输入简单、用户体验好要求，本设计选取了物联型电容触摸式串口屏（DC10600W101_1VW1_0C）作为人机交互模块。该串口彩屏搭载嵌入式实时操作系统，内部有400MHz 32位双核处理器，集成了DDR显存，JPEG图片解码，屏幕尺寸10.1寸，分辨率为1024*600，支持音频和视频输出，通讯接口可切换RS232或TTL。满足本设计人机交互模块应具有的能输入信息、能实时显示运动指导的要求。为了使串口屏与主控芯片通讯时信号更加稳定，采用MAX3232芯片进行电平转换，如图2所示。

图2 人机交互驱动电路

（二） 运动监测模块

为了保证心率检测的准确性，本设计选用的心率监测模块型号为PulseSenSor。该传感器供电电压为3.3V或5V，电流小于4mA（5V），输出信号大小为：0～3.3V（3.3V电源）或0～5V（5V 电源），输出信号类型为模拟信号，最大误差为2%。其原理为光电容积方法，利用人体组织的特性，在血管搏动时造成透光率的不同从而进行脉搏的测量[6-8]。将传感器戴于用户手指或耳垂等处，可将脉搏跳动转化为电压信号，经单片机内置AD将模拟信号转换成数字信号，得到心率值。

（三）网络通讯模块

本设计用以太网（Ethernet）实现设备与系统管理平台的互联互通，具体使用W5500以太网接口芯片实现。W5500使用全硬件的TCP/IP协议栈的嵌入式Ethernet控制器，单片机只需利用SPI接口便可接入网络。该芯片具有TCP/IP协议栈、10/100Mbps网络层和物理层，其中TCP/IP协议栈完全支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE协议，同时支持8个端口，具有休眠模式[9，10]。完全满足本设计的需求，同时高速SPI总线和配合相应的RJ45插座拥有不同种指示工作状态灯，网络模块电路如图3所示。

图3 网络模块电路

（四）阻力驱动模块

运动状态下划船器的阻力轮转动，霍尔传感器不断产生电平变化信号，本设计只需将该电平脉冲信号接入单片机IO管脚即可完成计数、测速和运动输出功率。同样地，调节电机的控制线也是直接与单片机的IO管脚相连，直接控制电机驱动，从而控制电机所带动的磁石块，改变磁石块与铁阻力轮的距离，实现输出阻力多级调节。

（五）主控芯片

为了兼容以太网与单片机的时钟，使用外部25M晶振时钟，并选用带有PLL2分频倍频器的互联型单片机STM32F105。根据本设计的外设需求，选取STM32F105R8T6型号单片机作为主控芯片。

四、软件设计与实现

电控系统开机上电后，先进行电路板自检，包括串口功能是否启动，串口屏的通讯检查，网络模块复位检查，网络连接检查等。经过一系列自检后，进入主程序，等待用户输入个人信息，随后开始康复训练，由运动监测模块实时监测当前运动的参数，完成本次训练方案后上传本次训练情况，如图4所示。

图4 程序流程图

五、结语

本文完成了一种基于磁阻划船器的运动康复设备的电控系统设计，实现了人机交互、与系统管理平台数据交互、运动过程中实时心率和输出功率检测。为实现个性化和精准化运动康复方案执行提供了一种低成本且可行的方案，对于科学健身、健康促进和慢病运动康复都具有较大的实用价值。