基于单片机的跑步机启停控制模块的软件设计.docx
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基于单片机的跑步机启停控制模块的软件设计
基于单片机的跑步机启/停控制模块的软件设计
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2016年04月
摘要
近年来，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对自身的健康也日益关注，健身成为一种流行时尚，健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域，电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场前景。
研发具有多功能和高附加值的人性化科学化的电动跑步机具有重要的现实意义。
电动跑步机的电控系统是整个跑步机运转的核心，它需要具有简单接口界面、电机调速和心率功能。
本论文以电动跑步机控制系统为对象，以实用、廉价、高性价比和高安全性为目标，以改进型51系类单片机STC89C52为控制核心，完成了无刷直流电动机调速系统硬件设计、电动跑步机手握式红外心率计软硬件设计和电控系统部分软件开发等任务。
首先，文章叙述了跑步机的基本结构和工作原理，对其调速原理和调速方法进行了理论分析，建立了转速、电流反馈控制的直流调速系统的动态静态模型，并实际分析跑步机特殊负载的性质，确保跑步机的安全性和舒适性。
并依据此基本控制策略，对电动跑步机无刷直流电动机的调速系统进行了硬件实现并画出相应的电路原理图。
其次，文章介绍了电动跑步机附加的电子心率计的软硬件开发。
最后，开发部分系统软件。
关键词：
电动跑步机；数码管；控制系统
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofsocialeconomyandpeoplelivingstandardrise,peopleisincreasinglyconcernedontheirhealth,fitnesshasbecomeapopularfashion,fitnessequipmentindustryalsograduallyrisetoabigconsumption,electrictreadmillasanimportantkindoffitnessequipmenthasbeenmoreandmorewidelyused,hasabroadmarketprospect.R&dhasmultifunctionandhighvalue-addedhumanscientificelectricrunningmachinehasimportantpracticalsignificance.
Electrictreadmillofelectroniccontrolsystemisthecoreofthetreadmillrunning,itneedstohavesimpleinterfaces,motorspeedandheartratefunction.Byelectrictreadmillcontrolsystemasanobjectinthispaper,withpractical,cheap,highcostperformanceandhighsecurityasthegoal,withthemodified51seriesofsinglechipmicrocomputerAT89S51asthecore,tocompletethebrushlessdcmotorspeedcontrolsystemhardwaredesignandrunningofelectrictractordrivergriptypeinfraredheart-ratemonitorsoftwareandhardwaredesignandelectriccontrolsystempartofthesoftwaredevelopmenttasks.
Firstofall,thearticledescribesthebasicstructureandworkingprincipleofBLDCM,thespeedcontrolprincipleandcontrolmethodareanalyzedintheory,establishedthespeedandcurrentfeedbackcontrolofdynamicandstaticmodelofdcspeedregulatingsystem,andtheactualanalysisofthenatureofthespecialloadrunningmachine,toensurethesafetyandcomfortofrunningmachine.Accordingtothebasiccontrolstrategyofelectrictreadmillbrushlessdcmotorspeedcontrolsystemforthehardwareimplementationanddrawthecorrespondingcircuitprinciplediagram.Secondly,thispaperintroducestheelectrictreadmilladditionalelectronicheart-ratemonitorhardwareandsoftwaredevelopment.Finally,partofthesystemsoftwaredevelopment.
Keywords：
electrictreadmill;digitalcontrolsystem;controlsystem
第1章绪论
课题研究背景、目的及意义
首先了解一下跑步机的发展历史，跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。
世界上第一台跑步机诞生于1875年，发明人是美国东部农村的一位机械师[1]。
这台机器其实是一台便携式农机设备，以牲畜作为动力来源。
1866年，纽约州通过了美国第一部禁止虐待动物的法律，用鞭子打牲口被视为非法行为。
“美国反对虐待动物组织”指责那些爬楼式的动力装置伤害了动物的膝关节，给动物造成了心理压力。
于是有人发明了水平跑步机，其传送带和地面平行，动物走在上面就像平时散步一样自然[1]。
现代意义上的跑步机从80年代流行至今已发展到第四代产品第一代产品机械跑步机，是用圆形滚筒组合排列而成的跑台，在两个滚筒中间加装塑胶跑带及跑板，主要运动方式是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行从而达到跑步及走步的效果。
第二代跑步机模拟电动跑步机，是在原有第一代的基础上增加电机传动装置和升降装置，以及一些电脑控制程序和传感器，通过传感器传输和接收马达的工作信号，用电脑控制程序达到调节跑步机速度、坡度、距离等功能，第三代跑步机数字跑步机，在原有第二代跑步机的基础上去除了传感器，以单片机的数据控制马达的工作状态，不会受到外界的干扰，从而使跑步机运动更稳定、更安全。
第四代跑步机是采用的数字变频技术，采用HK变频调速器和交流马达组成跑步机的动力系统，因为交流电机结构中没有碳刷，所以终生不需要维护，所以第四代变频跑步机具有更安全、更耐用、更安静、更节能、更稳定5大优点使跑步机运动在真正意义上超越了传统室外跑步运动。
对于第三代跑步机而言数字跑步机是由第二代模拟电动跑步机发展而来，和模拟电动跑步机的主要区别在于它是由数字信号控制的。
模拟数据（AnalogData）是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力、心率，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像；数字数据（DigitalData）则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
模拟信号跑步机是通过传感器传输和接收马达的工作信号，其随时间、温度、信号强弱等因素，可能导致马达工作不稳定。
而数字跑步机则是以单片机的数据控制马达的工作状态，其不会受到外部因素的干扰，从而使跑步机更稳定，更安全。
第二代跑步机马达的转速都是各种型号的传感器控制的，均为模拟信号。
而第三代跑步机是用单片机控制，系为数字信号[1]。
模拟信号和数字信号在跑步机中的明显区别：
（1）模拟信号跑步机的最低速度为／h以上，而数字信号跑步机的最低速度可制定在／h以下，且输出大扭力。
（2）模拟信号跑步机的马达上都有个明显的传感器，数字信号跑步机则没有。
（3）模拟信号跑步机控制电源上有大大小小的电位器，数字信号跑步机则没有。
（4）数字信号跑步机在按停止键时，使用者在没有感觉的状态下停止运动，不会出现如急刹车时的眩晕感觉[2]。
所以基于单片机的第三代跑步机具有很大优点。
生命在于运动，健康源于运动。
跑步是目前非常流行的一种有氧健身运动，它在医学界和体育界享有高度评价，它是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式。
跑步机是家庭及健身房常备的器材，而且是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。
专家们相信未来跑步机市场将以高价位产品为主导。
低价位产品销售不错，近几年价格已有上升趋势。
注重生活时尚的消费者认为跑步机价格在万元以上是理所当然的事。
这些迹象表明，未来跑步机仍会持续增长。
此次设计的任务为电动跑步机的控制系统。
设计包括调速、控制、安全、心率测量等，设计中参考了国内外文献，对电机转速有精确计算，而且设计中可以根据测出的心率来智能调节转速，利用人机学原理，使设计更为人性化。
由于跑步机的特殊性，安全问题更值关注，如何正确使用跑步机，和跑步机的保养同样重要[3]。
针对跑步机的控制系统来言，无刷直流电动机使用电子换向取代了传统直流电动机的机械换向。
无刷直流电动机不仅拥有直流电机好的调速范围性能和高效率的优点，还具有交流电机维护方便、可靠操作的长处。
此外，BLDCM不需要励磁绕组，有容量小和功率密度大的特点。
电动跑步机采用BLDCM作为驱动电机时，有价格低廉、机械噪声小、持续工作时间长、便于维护、跑步带调速范围广和速度波动小的优点[4]。
课题国内外研究现状及趋势
跑步机属于健康器材类产品，由于跑步机驱动电机必须满足各种体重的人来使用。
一般使用跑步机的目的有两种：
健身和减肥瘦身；如果是减肥瘦身的人来使用，因为身体较肥胖，跑不快，因此驱动电机的低速必须转矩大才能使用。
相反的，健身的人跑步快，但是重量轻，因此高速时的转矩需求较小；跑步机必须满足家庭成员每一个人都能使用，因此调速范围要宽广，低速转矩要大，才能满足不同重量的人。
目前跑步机使用的驱动装置以直流有刷电机为多，优点是价格便宜。
跑步机双面宽厚的跑带让人有草坪般舒适感觉，马力强劲的电机带来恒久的动力，灵敏的控制器配合芯片让人在跑步过程中随心所欲，坚固的钢架以及防护装置使人的安全尽在掌握。
电跑使人们在繁忙的工作之余仍然可以尽享运动的乐趣[5]。
未来人口越来越多的集中在城市，在有限的空间进行锻炼成为了城市居民的不二选择。
通过上网了解可知，在跑步机控制系统方面，目前国内外中低市场大都采用直流有刷电动机作为电动跑步机的驱动电机，这些电机的功率在马力到马力之间，同时适用于脉宽调制技术。
他们有一下一些问题：
大机械噪声、持续工作时间短、高维护费用、短寿命。
在高端市场驱动电机大都采用交流电机，大多说功率在左右，且适用于矢量控制变频技术，其中一些提升电机10%的功率，范围改变在0%到15%。
当然这种系统性能高，而高花费却限制了它的市场[6，7]。
另外由于价格和性能的互相限制，目前国内外对于控制系统没有实质性的突破进展时，一般都朝着智能化方向发展，跑步机同时混同各种功能于一体。
接下来介绍几种常采用的单片机：
采用ATMEL公司的ATmega32或者ATmega128作为跑步机的主控芯片，它具有先进的RISC架构，内部集成较大容量存储器，有丰富的管脚资源，驱动能力强，具有在系统编程功能，给控制系统的设计及程序的升级和维护提供了极大方便[8，9]。
国外多采用低价位的8位单片机AT89C2051为核心单元构成了直流有刷电机调速系统，电机采用脉宽调制方式进行调速，通过软件编程改变控制算法，增加了控制的灵活性，具有较高的性价比[10，11]。
再介绍一下跑步机重要组成部分无刷直流电动机的发展历程：
有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。
直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。
科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。
1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。
80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。
“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。
现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。
无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。
如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等。
由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。
美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换[12]。
所以电动跑步机使用无刷直流电动机十分适合。
系统框图
图1-1系统框图
第2章硬件电路设计
主电源电路
跑步机驱动采用无刷直流电动机，所以主电源的任务是得到一个相对稳定的直流电压，以此作为电动机控制系统的输入电压。
为了得到+5V的电源，采用了全波整流电路，结合7805三端稳压芯片组成的稳压电路，已确保电路的稳定运行。
在电源的输出端，并联了电解电容和瓷片电容，电解电容用来滤掉大部分的电压纹波以保证电压稳定，瓷片电容则用来滤掉高频干扰。
大大提高了系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性，可靠性。
图3-1主电源
STC89C52单片机及相关电路
STC89C52单片机概述
（1）VCC：
40脚，电源供电接口，接+5V。
（2）VSS：
20脚，接电源地。
（3）P0口：
32～39脚，P0口是一组I/O输入输出口，特点是它的漏极开路状态的，如果对P0端口写的电平为高电平“1”时，引脚作为高阻抗输入状态。
也可以作为一组输出端口。
若端口访问外部程序或者查询数据存储器时，P0口也可以把它当做成低8位的地址/数据，复用利用，也就是所谓的信道复用。
在这种模式下，P0具有内部上电阻。
但是P0口在进行程序校验并作为输出指令字节时，这是需要在外部加上拉电阻，一般选～10K的排阻作为上拉电阻。
本设计中P0口用了10K的排阻。
（4）P1口：
1～8脚，由于P1口内部本身具有上拉电阻，P1口的缓冲器能够接收输出的4个TTL电平电流。
如果P1端口写入高电平“1”，那么P1口电平被拉高，就可以作为输入口来使用。
（5）P2口：
21～28脚，P3口：
10～17脚。
与P1口的特征一致。
（6）RESET：
第9脚，作为单片机的一个复位输入端口。
倘若作为振荡器的复位器件时，RST引脚会产生两个或两个以上的机器周期的高电平，回到最开始，这时就可以复位了。
（7）ALE/P：
30脚，当IO口读取外部存储器的时候，地址会锁定然后存储所允许的输出电平值，然后锁定并存储地址的那位字节。
用FLASH编程的时候，输入编程的脉冲信号就是在这个引脚可以体现作用的。
在一般的情况下，ALE端会输出以不变的周期的频率，因为这个频率将会是振荡器频率的1/6的一个正脉冲信号，因此它可用来检测系统是否正常工作。
（8）PSEN：
29脚，用于选择外部存储器的信号入口。
（9）XTAL1：
19脚，可以输入振荡器的反相放大器和发生内部时钟的电路。
如果要接外部时钟源，就从XTAL1输入。
（10）XTAL2：
18脚，作为振荡器的反相放大器的输出端口。
如接外部时钟源，则XTAL2悬空。
单片机在系统中作为主控芯片对外部电路采集到的信号进行处理，发出PWM信号给L298，然后通过L298驱动步进电机。
进而实现本系统的自动控制效果。
晶振电路
晶振的全名叫做石英晶体震荡器。
由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器可以用来产生基准频率。
用晶振的基准频率来保正系统正常运行所需的准确频率。
—16MHz之间其中12MHz和MHz是典型的值，我们需要特别注意。
电容C1和C2可以帮助起振，我们微调C1,C2的值就可以调节频率了。
复位电路
图复位电路图
时钟电路
DS1302是美国的DALLAS公司发表和推行的，它的高性能，低功耗被大多数电子生产商喜爱，它的实时时钟芯片，可以对时，分，秒计时，同时还是万年历的核心，有补偿闰年的作用，工作电压范围约在?
图时钟电路图
图DS1302引脚图
DS1302时钟程序设计
DS1302时钟芯片与单片机通信采用的是串行接口。
DS1302内部设置有12个通用寄存器，其中的7个是以BCD码的方式来储存时钟信息和日历，通过读取这些寄存器的数据，可以获得相关信息。
由于DS1302具有掉电模式，因而不用担心反复调时间的问题。
其读写操作流程如图所示。
DS1302时钟程序框图
速度控制和停启电路
速度显示电路
数码管显示电路
第3章软件设计
系统初始化
主要包括I/O口初始化、内部RAM初始化、定时器初始化、PWM输出程序、A/D转换等。
I/O口初始化、定时器初始化
定时器0和定时器1定时常数的确定以及初始化代码略作介绍。
此处只介绍用于PWM信号产生的定时器1的初始化。
通过对初始化定时器l的相关寄存器的编程，可以在P2引脚产生控制电动机的两路PWM信号输出。
之所以选择定时器1产生PWM信号，是因为它是16位定时器，而定时器0和定时器2为8位定时器。
定时器1产生的PWM信号比其他定时器产生的PWM信号精度更高，从而使电动机的速度控制更加精确。
PWM信号最高在20Hz左右，所以将PWM周期寄存器的周期设置为6000。
那么PWM计算公式如下：
定时器初始化程序：
根据以上信息的提示，我们可以归纳出寄存器操作的步骤：
（1）使能相应的定时器时钟线。
（2）配置tim1四路PWM输出引脚为复用功能输出。
（3）配置tim1的分频比和计数装载值。
（4）配置相应通道的PWM输出模式和使能预装载。
（5）打开自动重装载预装载允许位。
（6）根据需要选择向上或者是向下计数模式。
（7）打开相应通道的输出使能。
（8）配置各通道的占空比。
（9）开启OC和OCN。
（10）最后使能定时器1。
参考文献
[1]跑步机发展史
[2]山东大学韩修恒.智能跑步机控制系统设计[D]，2007
[3]宋杰、归明.山东省城市社区健身器材使用现状分析[J].体育学报，2002
[4]国外健身器材的发展趋势[Z].http：
／／www．39．net／fitness／jfff／qjjf／1053．html
[5]中国跑步机市场研究报告[J]，2012
[6]杨玲.跑步机驱动控制系统的研究[D].哈尔滨工业大学硕士研究生论文，2007
[7]DesignofBLDCMDrivingandControlSystemforMotorizedTreadmill[J].2007
[8]ATmega32DataSheet[Z].ATmelInc．Rev.
[9]HaroldStone.MicrocomputerIntertacing.UniversityofAddisonwesle[D]，1982
[10]MitraSK.DigtalSignalProcessing.NewYork：
Mcgraw-Hillinc[M]，2001
[11]李群芳、肖看、张士军.单片机微型计算机与接口技术（第四版）[M].电子工业出版社，2012
[12]Dr.DuanehanselmanBLDCMDesign，secondedition[M]，UniversityofMaineOrono，USA.
[13]山东大学李国强.电动跑步机电控系统的研制[D]，2008
[14]杨浩东等.无刷直流电动机的数学模型及其仿真[J]微电机，2003，4：
8一10
[15]吴影生，胡虞生.无刷直流电动机系统仿真模型与改进[J].机械制造及自化，2003
[16]陶桂林等.永磁无刷电机的建模与仿真分析[J].华中科技大学学报，2003，l：
83一85
[17]葛新等.无刷直流电动机的实用仿真模型[J].微电机，2004，37
（2）：
3一8
[18]何伟，陈良迟，徐晓红，谢正祥．心电信号及各组分的频率分布和有效带宽研究[J]．生物医学工程杂志，1996，13（4）：
336．340
[19]羊彦，景占荣，毕强，韩星.无刷直流电动机数字PID控制的研究[J].电机与控制学
报，2003，7（4）：
299-302
[20]刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京：
机械工业出版社，2010
[21]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社，2001
[22]董永贵.传感器技术与系统[M].清华大学出版社，2006
[23]张友顺等.单片机应用系统设计与实现[M].福建科学技术出版社，2005
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