基于單片機(jī)的跑步機(jī)控制器設(shè)計(jì)

作者/趙麗芳，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于單片機(jī)的跑步機(jī)控制器設(shè)計(jì)

作者/趙麗芳，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著生活水平的提高，人們的健身意識增強(qiáng)。跑步機(jī)作為一種重要的健身器材得到了較為廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為核心，利用C程序程序來控制STC89C52單片機(jī)各個(gè)引腳輸出的變化，通過PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并通過輸出高低電平來改變步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的速度調(diào)節(jié)模擬以及坡度調(diào)節(jié)模擬的功能。

單片機(jī)；電動(dòng)跑步機(jī)；STC89C52；控制器

跑步作為一項(xiàng)最為傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，也是目前國際流行并被體育界以及醫(yī)學(xué)界所認(rèn)可并給予了高度評價(jià)同時(shí)積極推薦的有氧運(yùn)動(dòng)，所以，跑步機(jī)作為一種便于使用的，同時(shí)也是用于最有效的有氧運(yùn)動(dòng)的健身器材，得到人們的青睞。

1. 總體方案設(shè)計(jì)

跑步機(jī)以電力為其動(dòng)力，通過控制其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)來帶動(dòng)跑步機(jī)底座上的滾筒和跑帶進(jìn)行傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)跑步帶的移動(dòng)功能。而使用者若要保持其在跑帶上的位置的話，則需要以與跑步帶速度相等、方向相反的速度來進(jìn)行奔跑以維持其位置，從而達(dá)到鍛煉的目的。電動(dòng)跑步機(jī)控制器系統(tǒng)一般由兩大部分組成，分別為人機(jī)交互部分（主要實(shí)現(xiàn)使用者的命令輸入、跑步機(jī)運(yùn)行過程中的時(shí)間、里程、速度、消耗掉的能量等等參數(shù)的顯示功能）；調(diào)速部分（根據(jù)使用者自身所適宜的速度需求來對跑步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)跑步帶的速度控制）。顯而易見，調(diào)速部分是整個(gè)電動(dòng)跑步機(jī)控制器系統(tǒng)的核心，它的性能對整體跑步機(jī)的影響關(guān)系重大，是至關(guān)重要的部分。

圖1 跑步機(jī)系統(tǒng)框圖

2. 硬件設(shè)計(jì)

跑步機(jī)調(diào)速電機(jī)利用正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，也稱作正弦波永磁電機(jī)或者永磁同步電機(jī)來構(gòu)成永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用的是磁場定向矢量控制技術(shù)，從技術(shù)層面上來說比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更加簡單，因此也更加容易實(shí)現(xiàn)，并且該種方案中采用了非接觸式電子換向結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用在高檔跑步機(jī)的前景比較寬闊。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括：直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速電路，用于模擬坡度調(diào)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以及用于顯示數(shù)據(jù)的LCD液晶屏。本系統(tǒng)是基于STC89C52RC單片機(jī)的電動(dòng)跑步機(jī)控制器，以STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片，采用USB接口進(jìn)行串行通信，利用電源插座進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)整個(gè)跑步機(jī)控制器系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖見圖1。

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是用來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電路，并通過PWM脈寬調(diào)制的方式來改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

顯示電路采用LCD1602工業(yè)字符型液晶作為顯示屏幕，LCD1602是由若干個(gè)5×7或者是5×11的等點(diǎn)陣字符位構(gòu)成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。

3. 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成之后，采用的是Keil μVision4軟件進(jìn)行軟件編程，軟件流程圖如圖2所示。

利用Proteus軟件進(jìn)行硬件仿真，最后采用了STC—ISP軟件進(jìn)行程序的燒錄。本次設(shè)計(jì)的部分主程序如下：

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)上電之后開始運(yùn)行程序，這時(shí)電機(jī)處于停止的狀態(tài)，LCD顯示屏上顯示的是“PRESS K1 TO START”。與此同時(shí)鍵盤檢測電路開始檢測鍵盤的狀態(tài)，當(dāng)檢測到K1被按下的時(shí)候，整體程序不再在處于死循環(huán)中，開始跳至主程序開始運(yùn)行，這時(shí)的直流有刷電機(jī)進(jìn)入一個(gè)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，LCD上不再顯示“PRESS K1 TO START”，取而代之的是各項(xiàng)參數(shù)這時(shí)可以看到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的LED指示燈被點(diǎn)亮，四個(gè)指示燈相當(dāng)于四位二進(jìn)制數(shù)，反映了當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)，也就是模擬的坡度，坡度需要綜合考慮各種因素，用微擾算法進(jìn)行初步模擬后設(shè)定四個(gè)坡度狀態(tài)。當(dāng)檢測到K2或者是K3按鍵被按下時(shí)，通過程序改變了STC89C52RC的P2.5引腳的輸出脈沖寬度，通過PWM調(diào)制改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按下K2電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，而按下K3使則點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速減小。當(dāng)檢測到K4按鍵被按下時(shí)，改變P1.0口到P1.3口的輸出，使其輸出的四個(gè)信號成為分別對應(yīng)于控制步進(jìn)電機(jī)四個(gè)狀態(tài)的信號，每按下一次K4，坡度就會加1，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)微小的角度，當(dāng)坡度達(dá)到4的時(shí)候，再次按下K4坡度則將歸零，電機(jī)逆時(shí)針調(diào)整到最初的狀態(tài)。

4. 結(jié)論

由于坡度調(diào)節(jié)較難實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)中則采用了步進(jìn)電機(jī)來模擬對于坡度的調(diào)節(jié)。利用單片機(jī)，改變輸出，可以使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生5個(gè)不同的相位，分別對應(yīng)于坡度調(diào)節(jié)中的1～5檔。采用目前最為常見的PWM調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，模擬跑步機(jī)速度的調(diào)節(jié)。預(yù)先設(shè)計(jì)的多變擋調(diào)速在實(shí)物上只能實(shí)現(xiàn)三擋的調(diào)速，即停止、慢速、高速。因?yàn)殡姍C(jī)本身需要一定的電壓來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而PWM調(diào)速范圍有限，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓占據(jù)了相當(dāng)一部分的脈沖寬度，因此沒能實(shí)現(xiàn)多級調(diào)速。

＊ [1]周平. 電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子,2006(02). 21—23.

＊ [2]韓穎,王鵬. 智能型電動(dòng)跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2013(22). 23—24

＊ [3]劉斌,曹陽,王國慶,楊理踐. 基于LAPW算法磁記憶信號相變特性的研究. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2016， 35(4)：1238—12542

＊ [4] Liu B, Zhang H, Fernandes H, Maldague X. Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography, Lock—in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect (FOD) in CFRP[J]. Sensors, 2016, 16(5):743.

＊ [5]劉斌,何璐瑤,霍曉莉,王國慶,楊理踐. 基于Kp微擾算法的磁場中MMM信號特征的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2017,38(1):151—158.

＊ [6] Liu Bin, He Luyao, Zhang Hai, Cao Yang, Fernandes Henr ique. The axial crack testing model for long distance oil—gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J]. Measurement, 2017,103(1):275—282.

＊ [7]Liu B, He Y Y, Zhang H, Fernandes H, Ying F, Maldague X. Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J]. Iet Science Meas urement & Technology, 2017, 11(1):2—8.

＊ [8]劉斌,曹陽,王締,何璐瑤,楊理踐. 基于LMTO算法磁記憶屈服信號的定量化分析[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2017,38(6):145—152.