專利名稱：基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于健身運動裝置技術領域，具體涉及一種基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈。
背景技術：
隨著人民生活水平的提高，全民健身計劃的倡導，人們的健身意識得到了很大的提高，健身作為高質量生活的一部分，越來越受到人們的重視。轉呼啦圈是其中一種老少皆宜的健身方式，其運動趣味性強，形式生動活潑，既能提高練習者的身體協(xié)調性和柔韌性，又能陶冶情操、磨練意志。但目前市面上的呼啦圈也存在一些問題:現(xiàn)有的絕大多數(shù)呼啦圈均為實體產(chǎn)品，由塑料或橡膠等材料制成，其規(guī)格、尺寸與重量均沒有嚴格標準，這常常導致消費者由于急于塑身或減肥等原因而盲目選擇了不適合自己的呼啦圈，如質量太重、尺寸過大，這些都會導致相對撞擊力較大，很可能會傷及到人體腹部、背部內的臟器，如腎臟、脾臟等，這樣不但不能達到強身健體的目的，反而有損身體健康，所以這類傳統(tǒng)型呼啦圈不具備很好的普遍適用性；同時，現(xiàn)有的大多數(shù)呼啦圈其尺寸都過大，形式都較為單一，使得其不具備很好的便攜性和娛樂性；作為一款健身器材，傳統(tǒng)的呼啦圈無法記錄運動過程中的各項參數(shù)，使得用戶無法對鍛煉的強度進行科學地控制。目前市面上呼啦圈的種類非常多，有傳統(tǒng)型的，也有可折疊式、模擬式和多功能型等。201120053455.1號“便攜式呼啦圈”發(fā)明公開了一種可折疊的便于攜帶的呼啦圈，該方案中的呼啦圈圈體由三根弧形套管兩兩套接而成，其中一根弧形套管的外側可拆卸連接有一個盒，盒內設置 有電子表和定時器，可以記錄用戶的運動時間，主要缺點為:一、由于其為實體型的傳統(tǒng)呼啦圈，產(chǎn)品在規(guī)格、尺寸與重量上無法滿足所有用戶群體的要求，因而不具備普遍適用性；二、形式上仍為傳統(tǒng)型呼啦圈，因而不具備很好的娛樂性；三、套接過程中費時費力，套接接口容易出現(xiàn)磨損，影響使用壽命。02202131.0號“用于玩具的光電控制系統(tǒng)”發(fā)明公布了一種光電控制系統(tǒng)，該方案涉及一種能夠發(fā)射、接收光信號并且進行光電轉換的光電控制系統(tǒng)，以便控制一個玩具中的呼啦圈可跟隨參與游戲的人的腰部轉動方向和速度而旋轉，主要缺點為:一、無法記錄運動過程中的各項參數(shù)，使得用戶無法對鍛煉的強度進行科學地控制；二、與微機械陀螺相比較，振動傳感器的精度較低，較難實現(xiàn)運動過程的實時同步性；三、控制終端的玩具型設計不具備普遍適用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈。本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，包括兩個部分:信號檢測模塊和顯示模塊。信號檢測模塊包括微機械陀螺、處理器A、無線發(fā)射模塊和穩(wěn)壓電路。微機械陀螺實現(xiàn)對信號的采集，通過I2C總線與處理器A相連。無線發(fā)射模塊與處理器A相連，在處理器A的控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。處理器A與微機械陀螺和無線發(fā)射模塊相連，實現(xiàn)對角速度的采集、處理以及發(fā)送。穩(wěn)壓電路與微機械陀螺、處理器A、無線發(fā)射模相連，通過不同的穩(wěn)壓模塊給其提供電源。顯示模塊包括IXD顯示屏、LED點陣屏、處理器B、無線接收模塊和電源適配電路。IXD顯示屏是用戶運動參數(shù)顯示界面，用于顯示運動時間、消耗熱量和扭動圈數(shù)信息。LED點陣屏是用戶腰部扭動狀態(tài)顯示界面，用于顯示與腰部扭動同步的點陣轉動。無線接收模塊與處理器B相連，在處理器B的控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。處理器B與IXD顯示屏、LED點陣屏和無線接收模塊相連，實現(xiàn)對信號檢測模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的接收和處理，控制IXD顯示屏和LED點陣屏作相應顯示。電源適配電路與IXD顯示屏、LED點陣屏、處理器B、無線接收模塊相連，通過不同的穩(wěn)壓模塊給其提供電源。本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，信號檢測模塊的處理器A對微機械陀螺采集到的角速度數(shù)據(jù)進行處理，對不同大小等級的角速度數(shù)據(jù)進行打包，將其分別轉換成表征點陣點亮時間的電信號。本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，信號檢測模塊與顯示模塊通過射頻通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率設定為IMbps 2Mbps。本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，信號檢測模塊的穩(wěn)壓電路采用內部電池組供電的方式，顯示模塊的電源適配電路有外部直流電壓源供電和內部電池組供電兩種供電方式。本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，顯示模塊的LED點陣屏電路采用一種節(jié)約處理器I/O 口資源的動態(tài)掃描顯示方法:通過處理器B輸出第一行點陣的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行點陣，再輸出第二行點陣的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行點陣，以此類推，當選通最后一行之后，又重新回到第一行，重復以上過程，最終在LED點陣屏上形成穩(wěn)定的圖形。本發(fā)明克服了現(xiàn) 有呼啦圈體積大，不易隨身攜帶，娛樂性差，以及使用不當有可能損害身體健康等缺點，本發(fā)明的呼啦圈便攜易用，可以使用戶徹底擺脫使用傳統(tǒng)呼啦圈對內臟器官的傷害，同時還不會降低鍛煉身體的效果。本發(fā)明提供的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈可以將用戶的運動參數(shù)量化，為用戶實現(xiàn)健康和科學的鍛煉提供準確的依據(jù)。本發(fā)明所提供的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈在實現(xiàn)健身效果的同時，還具有極強的娛樂性，不同的用戶可以使用該虛擬呼啦圈進行競技，更好地提高廣大用戶鍛煉身體的積極性。


圖1為本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈的結構框 圖2為本發(fā)明中的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊的電路連接 圖3為本發(fā)明中的IXD顯示屏電路連接 圖4為本發(fā)明中的LED點陣屏電路連接 圖5為本發(fā)明中的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊控制字格式；
圖6為本發(fā)明中的信號檢測模塊的程序流程 圖7為本發(fā)明中的顯示模塊的程序流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作詳細說明:
圖1是本發(fā)明基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈的結構框圖。從圖1可以看出，本發(fā)明基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈包括:信號檢測模塊1、顯示模塊2。信號檢測模塊I包括微機械陀螺3、處理器A4、無線發(fā)射模塊5和穩(wěn)壓電路6。顯示模塊2，包括IXD顯示屏9、LED點陣屏10、處理器B8、無線接收模塊7、電源適配電路11。信號檢測模塊I主要負責三部分工作，第一是利用微機械陀螺3檢測用戶腰部轉動的轉速和轉動的方向；第二是利用處理器A4計算用戶轉動的角度、轉過的圈數(shù)、消耗的能量(卡路里)值等信息，對微機械陀螺3采集到的角速度數(shù)據(jù)進行處理，對不同大小等級的角速度數(shù)據(jù)進行打包，將其分別轉換成表征點陣點亮時間的電信號；第三是通過無線發(fā)送模塊5將整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊2。顯示模塊2主要負責兩部分工作，第一是通過無線接收模塊7接收信號檢測模塊I發(fā)送的數(shù)據(jù)；第二是利用處理器B8讀取無線接收模塊7接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)計算得到LCD顯示屏9與LED點陣屏10的控制信號，并將控制信號分別輸出到IXD顯示屏9與LED點陣屏10的控制端口。圖2是本發(fā)明中的 無線發(fā)射模塊5和無線接收模塊7的電路連接圖。本發(fā)明采用市售無線收發(fā)芯片nRF24L01組成無線發(fā)射模塊5和無線接收模塊7。nRF24L01是一款工作在2.4GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)芯片。無線發(fā)射模塊5和無線接收模塊7包括:頻率發(fā)生器、增強型ShockBurst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置；具有增強型ShockBurst 收發(fā)模式、ShockBurst 收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種工作模式,本發(fā)明選用增強型ShockBurst 收發(fā)模式。連接圖所示，CE為工作模式選擇端，CSN為SPI片選使能端，SCK為SPI時鐘端，MOSI為SPI輸入端，MISO為SPI輸出端，IRQ為中斷輸出端，分別與處理器 B8 的 P30、P31、P32、P33、P34、P37 端口相連。圖3是本發(fā)明中的IXD顯示屏9的電路連接圖。本發(fā)明IXD顯示屏9采用通用型的1602液晶屏，該液晶可顯示16 X 2個字符，外部元件只需一個電位器，該液晶通過并行接口與處理器B8進行通信。具體連接為:IXD顯示屏9的VDD和BLA端口與電源相連，VSS和BLK端口接地，VO為液晶顯示對比度調節(jié)端，通過外接一個電位器來調節(jié)其亮暗，RS、Rff, E端口分別與處理器B8的P26、P27、P10端口相連，DBO至DB7數(shù)據(jù)口分別與處理器B8的POO至P07端口相連。圖4是本發(fā)明中的LED點陣屏10的電路連接圖。本發(fā)明LED點陣屏10電路采用動態(tài)掃描的顯示方法，由峰值較大的窄脈沖電壓驅動，從上到下逐次對點陣屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，完成循環(huán)。連接圖所示，采用4塊8X8點陣屏來實現(xiàn)16X16點陣的效果，考慮節(jié)約處理器的I/O 口資源以及顯示系統(tǒng)的可擴展性，本發(fā)明LED點陣屏10的行驅動電路采用不帶鎖存的串行輸入轉并行輸出控制器74HC164來控制點陣的行，一條行線上要帶動16列的LED進行顯示，按每一 LED器件20mA電流計算，16個LED同時發(fā)光時，需要320mA電流，選通三極管8550作為驅動管可滿足要求；列驅動電路采用帶鎖存的串行輸入轉并行輸出控制器74HC595來控制點陣的列，它具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器的結構,而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的。它的輸入有8個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器。SER是串行數(shù)據(jù)的輸入端，SRCK是移位寄存器的移位時鐘脈沖端，在其上升沿發(fā)生移位，并將SER的下一個數(shù)據(jù)存入最低位。移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。RCK是輸出鎖存器的存入信號端，其上升沿將移位寄存器的輸出存入輸出鎖存器。G是輸出三態(tài)門的開放信號端，只有當其為低時鎖存器的輸出才有效，否則為高阻態(tài)。SRCLR是移位寄存器清零輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全部為零。由于SRCK和RCK兩個信號是互相獨立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾，QA QH是芯片的輸出端。SER、SRCK、RCK、AB、CLK端口分別與處理器B7的P20、P21、P22、P23、P24 端口相連。圖5是本發(fā)明中的無線發(fā)射模塊5和無線接收模塊7的控制字格式，包括數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、CRC校驗。其中數(shù)據(jù)寬度聲明了射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)，可以讓設備區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗碼。地址寬度聲明了射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)，可以讓設備區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的地址和數(shù)據(jù)。地址聲明了接收數(shù)據(jù)的地址，包括了通道O到通道5的地址。CRC校驗可以讓設備完成CRC校驗碼的生成和解碼。圖6是本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈的信號檢測模塊I的工作流程。工作流程為:執(zhí)行上電100操作之后，信號檢測模塊I進行器件的初始化101操作，主要包括微機械陀螺3和無線發(fā)射模塊5的初始化；然后進行102操作，該操作過程中，處理器A4會向微機械陀螺3和無線發(fā)射模塊5發(fā)送控制字，用以確定處理器A4與微機械陀螺3和無線發(fā)射模塊5之間的通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)格式；接下來進行103操作，即處理器A4會在I2C通信協(xié)議下接收來自微機械陀螺3的2個字節(jié)的數(shù)字信號，該數(shù)字信號包括符號位與數(shù)據(jù)位，分別表征用戶轉動的方向與速度。接收到信號之后，進行數(shù)據(jù)的校驗104，處理器A4將校驗采集到的信號是否與設定的數(shù)據(jù)格式一致。如果校驗出錯，信號檢測模塊I將重新進行器件的初始化101操作，發(fā)送控制字102操作，接收傳感器數(shù)據(jù)103操作以及校驗104操作。數(shù)據(jù)檢驗正確的情況下，信號檢測模塊I將會進行以下操作，包括提取數(shù)據(jù)105操作和數(shù)據(jù)處理106操作，在這兩個操作過程中，處理器A4將記錄采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)，計算用戶轉過的角度，計算用戶運動時間。然后在107操作過程中，處理器A4將利用用戶轉過的角度與設定值的比較，在108操作過程中判斷出用戶轉過的象限數(shù)K以及在具體的轉過每個象限所用的時間，根據(jù)108操作所得到的結果，處理器A4可以在109操作過程中計算出LED點陣屏10對應象限中每個點陣的點亮時間LED_T。完成109操作過程之后，處理器A4將會在110操作過程中，整合以下數(shù)據(jù)，包括轉動方向、運動時間、轉過的象限數(shù)及點陣點亮的時間LED_T，并且將整合后的數(shù)據(jù)輸出到無線發(fā)送模塊5發(fā)出。最后在111操作過程中，無線發(fā)送模塊5發(fā)送數(shù)據(jù)后將會返回一個返回控制字確認操作，在112操作中，處理器A4會通過111操作中得到的控制字判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。圖7是本發(fā)明的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈顯示模塊2的工作流程。 工作流程為:執(zhí)行上電200操作之后,顯示模塊2進行器件的初始化201操作,包括LCD顯示屏9，LED點陣屏10，無線接收模塊7的初始化；然后處理器B8會進行讀取無線接收模塊7數(shù)據(jù)202操作，在該操作過程中，處理器B8會讀無線接收模塊7的緩存區(qū)，然后在203操作中判斷202操作是否讀取成功，若讀取失敗將重新進行初始化器件201，重新讀取數(shù)據(jù)202操作。讀取成功后處理器B8將進行提取數(shù)據(jù)204操作，即從讀取的數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)包括轉動方向、運動時間、轉過的象限數(shù)以及點陣點亮時間LED_T。接下來在205操作中，處理器B8利用用戶轉過的象限數(shù)，計算得到用戶轉過的圈數(shù)，并在206、208、210、212、214、216操作中用轉過的圈數(shù)與設定值進行比較以確定207、209、211、213、215、217操作中輸出的應點亮點陣圈數(shù)的控制參數(shù)。用戶在使用之前可輸入自己的體重參數(shù)，結合用戶體重參數(shù)與運動時間，處理器B8可以在218操作過程中計算得到用戶在運動期間消耗的卡路里值。最后在219操作中，處理器B8將把北京時間、運動時間、體重參數(shù)、卡路里值以及用戶轉過的圈數(shù)輸出到IXD顯示屏9顯示。用點陣點亮時間LED_T控制LED點陣屏10的顯示，實現(xiàn)腰部扭動轉化為 點陣的同步可視化轉動。
權利要求
1.一種基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，其特征在于:所述的呼啦圈包括信號檢測模塊和顯示模塊； 信號檢測模塊包括微機械陀螺、處理器A、無線發(fā)射模塊和穩(wěn)壓電路；微機械陀螺實現(xiàn)對信號的采集，通過I2C總線與處理器A相連；無線發(fā)射模塊與處理器A相連，在處理器A的控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；處理器A與微機械陀螺和無線發(fā)射模塊相連，實現(xiàn)對角速度的采集、處理以及發(fā)送；穩(wěn)壓電路分別與微機械陀螺、處理器A、無線發(fā)射模相連，通過不同的穩(wěn)壓模塊給其提供電源； 顯示模塊包括LCD顯示屏、LED點陣屏、處理器B、無線接收模塊和電源適配電路；LCD顯示屏是用戶運動參數(shù)顯示界面，用于顯示運動時間、消耗熱量和扭動圈數(shù)信息；LED點陣屏是用戶腰部扭動狀態(tài)顯示界面，用于顯示與腰部扭動同步的點陣轉動；無線接收模塊與處理器B相連，在處理器B的控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收；處理器B與IXD顯示屏、LED點陣屏和無線接收模塊相連，實現(xiàn)對信號檢測模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的接收和處理，控制IXD顯示屏和LED點陣屏作相應顯示；電源適配電路分別與IXD顯示屏、LED點陣屏、處理器B、無線接收模塊相連，通過不同的穩(wěn)壓模塊給其提供電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，其特征在于:所述信號檢測模塊與顯示模塊通過射頻通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率設定為IMbpslMbps。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，其特征在于:所述信號檢測模塊的穩(wěn)壓電路采用內部電池組供電；顯示模塊的電源適配電路采用外部直流電壓源供電或內部電池組供電兩種供電方式。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，其特征在于:所述顯示模塊的LED點陣屏電路采用節(jié)約處理器I/O 口資源的動態(tài)掃描顯示方式:通過處理器B輸出第一行點陣的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行點陣，再輸出第二行點陣的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行點陣，以此類推；當選通最后一行之后，又重新回到第一行，重復以上過程，最終在LED點陣屏上形成穩(wěn)定的 圖形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于微機械陀螺的虛擬呼啦圈，所述的呼啦圈包括信號檢測模塊和顯示模塊；信號檢測模塊中的穩(wěn)壓電路分別與微機械陀螺、處理器A、無線發(fā)射模相連；顯示模塊中的處理器B與LCD顯示屏、LED點陣屏和無線接收模塊相連，電源適配電路分別與LCD顯示屏、LED點陣屏、處理器B、無線接收模塊相連。本發(fā)明適用于不同年齡階段用戶的鍛煉身體需求。
文檔編號A63B19/00GK103212184SQ201310133619
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權日2013年4月18日
發(fā)明者高楊, 周斌, 劉玉佼, 雷龍, 吳生特 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所