基于单片机跑步机控制系统设计.docx

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1、毕业设计说明书（论文）设计（论文）题目:基于单片机跑步机控制系统设计专业:机电一体化目录第1章绪论I1.1 研究目的和意义11.2 国内外的研究现状21.2 .I专业跑步机21.3 .2家用跑步机41.3 家用跑步机的选择41.3. 1该产品的优劣51.3.2解决方法61.4主要内容6第2章跑步机总体系统方案72.1 系统组成72.2 系统控制方案的设计7第3章系统硬件选择83. 1系统控制器的选择84. 2输入通道方案的选择85. 3外围接口的选择83.3.1显示器的选择83. 3.2键盘的选择103.4 单片机芯片的选择103.5 电动机的选择113.5. 1电机马力的选择123.6 驱动

2、芯片的选择133.7 7排阻的选择15第4堂系统电路的设计173.8 1AT89C52引脚174. 2复位电路设计214.3时钟电路的设计224. 4显示器接口电路设计234.5键盘接口电路设计24第5度系统软件设计255. 1总体设计思想255. 1.1工作原理255. 1.2程序设计法的选择256. 1.3程序语言的选择265. 2主程序的设计275. 3总电路布局图285. 4程序仿真29总结31致谢32参考文献33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，电动翻步机作为i种重要的健身器

3、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胞步机具有重要的现实意义电动蹈步机的电控系统是整个跑步机运转的核心,它需要只有用户接口界面功能、电机调速功能和其他附加功能。本论文以电动跑步机直流训速系统为研究对象，以实用、舒适、高性价比、高可靠性和高安全性为目标，以单片机AT89C52为控制核心,完成了有刷直流电动机调速系统哽件设计和总体软件开发等任务。从理论分析到软硬件实现,全面详细的阐述了电动跑步机电控系统的设计全过程.本文首先对系统各个模块进行了初步选择与论述,然后对硬件和软件系统的设计做了详细的说明。关健词：单片机：电动跑步机：直流电动第1章绪

4、论1.1 研究目的和意义随着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，从而更热衷于参加各种体育运动。然而，在现代城市生活中，许多人特别是脑力劳动者,从事体力劳动和体育运动的时间和空间都大为减少。据调查显示，运动量不足，成为许多人处于“亚健康状态”的重要原因之-O1996年，美国卫生署发表了4体育运动与健康报告，大力倡导美国人从事健身运动，强化心肺功能训练，增强身体白然抵御力，进而开启了有氧心肺健身罂材产业的序暮。从全理范围来看，H前训练健身耦材行业的主要市场为欧美等发达国家，但受成本等因素的影响，世界主要健身胧材生产地正逐渐从欧美向亚洲转移，中国台湾地区的健身器材产世曾在世界

5、排名第一，曾占有4050%的全球市场份额，但近年来,90,的台湾低档健身器材产业已经转移到中国大陆，中国已成为全球最大的健身器材出口国。未来欧洲、亚洲和拉丁美洲将是市场的主要增长点，逐渐富裕的人辞将会追求更加健康的生活方式，并将成为健身器材的生要消费者。根据MarketReSearCh公布的数据显示，2011-2018全球训练健身器材市场规模整体呈现上升趋势，2018年全球训练健身器材市场规模为112.5亿美元，较2017年增长4.2乐预计2019年将达到116.9亿美元。在我国，健身器材产业起步较晚，缺乏世界知名品牌;而市场需求量却增长迅速,从而出现了世界健身器材巨头（如美国爱康健身器材公司

6、、美国诺德士集团以及韩国秀健健身器材公司等）纷纷抢灌”中国市场的局面“目前，健身器材产业主要分为有氧健身器材（如跑步机、椭圆机、健身车、划船机等）和重量训练器材（如仰卧起他板、杠铃、哑铃等）两大类.而作为一种重要的有氧健身器材的范步机，刚刚出现，就受到了人们的广泛其爱。一方面，它满足了人们在室内进行跑步锻炼的需要，因为跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价并积极推荐的有氧健身运动，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式；另一方面，从科学的角度看,在跑步机匕进行的走或齐跑,在动作外形上几乎与在地面上走或跑样,但是从人体实际用力看，它比在陆地上走或跑省去了路伸动作，从而使得抱步者感

7、觉十分轻松白如1,并比在陆地上多跑1/3的路程，能珏消耗也大于陆地训练.据调查，电动翻步机是目前世界上销量最大、进入家庭最多的心肺功能锻炼器。在健身活动比较发达的欧美等地，各种健身器材已经成为许多家庭的必备品;而在我国的许多大中城市，跑步机等健身器材也开始走进家庭。在美国KEYS健身器材公司和青岛英派斯健身集团分别进行的调查显示，在被调查的人当中，选择跑步机进行锻炼的人数分别占到了总人数的63劣和75%.所以,健身器材不论是在国内外都具有广阔的发展潜力和空间，而跑步机作为健身器材中最受欢迎的存在，其发展的潜力和空间更大，因此发展性能更好的抱步机具有重要的意义。1.2 国内外的研究现状根据健身器

8、材设汁的耐用性以及所使用的场所不同，目前市场上的跑步机主要分为两类:专业健身房用跑步机和家庭用小型跑步机。前者作单项训练用般仅有跑步功能，技术含量皮配件品质较高，耐用性高，价格昂贵;后者的突出特点是所占空间小，重显轻,价格相对比较便宜，并11往往增加了如划船运动、按摩等功能。对于不同用途的胞步机，其调速系统也有着较大差别。1.2.1 专业跑步机直流有刷调速系统以其控制线路简峨、调速范围宽、过载能力较大和优异的控制性能在各类胞步机产品中得到r广泛的应用.目前，国内外跑步机用驱动电机仍以有刷直流电机为主，采用直流电动机不可逆PKV系统。此前，青岛英派斯健身集团开发的一款DP220T健身房用跑步机就

9、是采用J跑步机用有刷直流电动机为驱动电机，以集成PWY控制芯片SG3525A为核心，硬件电路实现的电压负反馈、电流补偿控制的RWM团环控制系统。尽管有着控制简单的优点，但直流有刷电动机由存在电刷和换向器的机械换向结构，长期运行必然需要经常维护电刷和换向疑，而且,山于损耗存在于转了上，使得散热困难、温升增加,限制了电机转矩重量比的进步提高。使用交流同服驳动系统取代直流有刷调速系统是日前研究的一个重要方向。一种方案是采用感应电动机作为驱动电机，感应电动机本身比直流电动机具有寿命长、免维护等优点，但是为了获得较宽的调速范围（一般胞步机的谢速比约为25:1）,需要采用较为史杂的矢量控制技术，电机的参数

10、变化对其也有较大影响，日前用感应电动机构成何股系统的总成本比直流同服系统要高。韩国秀健健身集团曾推出使用高性能交流伺服驱动系统的电动胞步机.另一种方案采用正弦波驶动的永磁同步电机驱动系统，利用磁场定向矢量控制技术，较感应电动机易于实现，井采用非接触式的电子换向结构.在高档跑步机的应用领域具有较）广阔的发展前兔。而无刷直流电动机调速系统在电动抱步机上的应用也是研究的一大热点。一方面，无刷直流电动机具有仃刷直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点；另方而，由于其采用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向结构，从而又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等系列优点。因此,采川无刷

11、直流电动机调速系统较其它方案具有更高的性价比.而对于电动跑步机系统，由于其要求较大的起动转矩，所以,采用带位置传感器的PwM隔速系统是性能较好的方案。对于其具体的实现方案主要有两种，一种是以无刷直流电机专用控制芯片为核心控制单元构成无刷电动机调速系统。好具代表性的是MOTORO1.A公司生产的第二代无刷电机控制专用芯片MC33035,它集成了洋码、PWM生成、保护等无刷电机控制的诸多功能，组成的系统所需外国电路结构荷单，运行可维，可与同系列芯片MC33039配合构成速度闭环控制，具有较好的调速性能，其不足之处在于调速式单一，无法使用较为发杂的.算法。另一种方案是采用高性能的微控制芯片对无刷电机

12、进行控制，控制方式灵活，调速系统具有更高的性能.如图1.I所示为专业跑步机。图1.1专业跑步机1.2.2 家用跑步机对于价格相对便宜的家庭用小型胞步机，主要是根据市场的实际需求，在保证技术指标的前提下，尽地考虑设计的经济性和实用性.因此，家庭用胞步机几乎都采用的是直流有刷谢速系统。例如，国内某型号的胞步机，采用低价位的8位单片机AT89C52为核心单元构成了直流仃刷电机调速系统，电机采用脉宽调制方式进行调速，通过软件编程改变控制鸵法，增加了控制的灵活性，具有较高的性价比。因此本次主要研究家用跑步机。1.3 家用跑步机的选择我国胞步机品牌繁多，价格也高低不等，其中立久佳这款跑步机价格适中，结构简

13、使占地空间小。可放在卧室中，而且立久佳一直致力于家用足步机是一家比较专业的跑步机健身器材生产商。立久佳一直将先进的技术和研发设备融入进跑步机的设计和生产之中，一开始进入市场的时候，立久佳把目标人群瞄准的年轻群体，走的是比较平价、低端的路线，所以立久佳的胞步机有很多都是百元左右的跑步机“立久佳的跑步机性能在国产的跑步机中是也兑是比较齐全的，最先进的技术就是立久佳的抱步机都是有高清的触控屏幕，在跑步的时候可以进行娱乐。总得来说，如果自己的预算不然的话，也不想买一个这么贵的跑步机用到后面乂闲置了.那立久佳是个不错的选择，网络品牌性价比比较高，便宜的同时功能也比较齐全，还具有一定的智能化，设计比较人性

14、化。立久佳家用跑步机如图1.2所示。图I.2立久佳家用跑步机1.3.1 该产品的优劣该产品不论是做工还是性能方面都做得很好，机器做工很精致，品质好，开机运动一点也不晃动.功能多，功能上带有能测心率，速度也是可以，还安装有蓝牙,可以连接安卓和苹果系统的手机。结构荷约，易搬运，占地面枳小，胞步时噪音小等特点。唯一的缺点就是有些功能多余如和手机互联这一功能，只能显示运动的里程数,就没什么其他用处r1.3.2解决方法可以试着取消该功能，然后在整体性能上做改进，比如抱步机的整体质量，整体质量提高了，那么无论是使用时还是保存时间，都将大大提高。14主要内容电动抱步机用直流电动机需要高效率、高功率密度、大输

15、出转矩和宽调速范围。对于这样的驱动性能要求，应从系统的角度对控制方法和电机系统进行综合设计。本文若亚于对电动抱步机用直流电动机调速系统进行分析和设计，为直流电动机调速系统在电动龙步机中的应用提供基础。基于这一基本思想，本文主要设计系统结构、和控制方法，并在此茶础上以C51单片机为控制核心，设计直流电动机数字化闭环调速系统，包括系统软、硬件的设计。第2章跑步机总体系统方案1.1 系统组成电动胞步机以电为动力，通过控制出动电机的转动来带动跑步机底座上滚筒的转动，进而实现跑步带的移动,而锻炼者要保持在胞步带上的位置,则必须以与跑步带速度大小相等、方向相反的速度胞步，从而达到假炼的目的。电动胞步机控制系统般由三大部分组成,分别为人机交互部分（主要实现使用者的命令输入和跑步机运行过程中的时间、速度以及消耗的能量等的信息显示）、调速部分（根据使用者的速度设定来控制幽步带驱动电机的转速，从而实现跑步带的速度控制）和生理信号（如心率）测域部分。很显然，调速部分是整个电动跑步机控制系统的核心,它的性能对整个胞步机系统至关重要。本系统主要由按键模块，显示模块，PWM驱动模块与速度检测模块组成。2. 2系统控制方案的设计系统控制系统主要仃开环控制系统、闭环控制系统和况合控制系统，本系统选择单闭环控制系统，由按键模块输出电机的正反转与