基于单片机的跑步机启停控制模块的软件设计大学毕设论文.doc
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1、 基于单片机的跑步机启/停控制模块的软件设计学 院:专 业 班 级:学 号:学 生 姓 名:指 导 教 师: 2016年 04月II 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
2、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 AbstractIn recent years
3、, with the development of social economy and people living standard rise, people is increasingly concerned on their health, fitness has become a popular fashion, fitness equipment industry also gradually rise to a big consumption, electric treadmill as an important kind of fitness equipment has been
4、 more and more widely used, has a broad market prospect. R&d has multifunction and high value-added human scientific electric running machine has important practical significance.Electric treadmill of electronic control system is the core of the treadmill running, it needs to have simple interfaces,
5、 motor speed and heart rate function. By electric treadmill control system as an object in this paper, with practical, cheap, high cost performance and high security as the goal, with the modified 51 series of single chip microcomputer AT89S51 as the core, to complete the brushless dc motor speed co
6、ntrol system hardware design and running of electric tractor driver grip type infrared heart-rate monitor software and hardware design and electric control system part of the software development tasks.First of all, the article describes the basic structure and working principle of BLDCM, the speed
7、control principle and control method are analyzed in theory, established the speed and current feedback control of dynamic and static model of dc speed regulating system, and the actual analysis of the nature of the special load running machine, to ensure the safety and comfort of running machine. A
8、ccording to the basic control strategy of electric treadmill brushless dc motor speed control system for the hardware implementation and draw the corresponding circuit principle diagram. Secondly, this paper introduces the electric treadmill additional electronic heart-rate monitor hardware and soft
9、ware development. Finally, part of the system software development.Keywords: electric treadmill; digital control system; control system第1章 绪论1.1 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
10、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
11、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(Analog Data)是由传感器采集得
12、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(Digital Data)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
13、步机的最低速度为0.8kmh以上,而数字信号跑步机的最低速度可制定在0.3kmh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
14、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
15、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。1.2 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
16、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1.5马力到2.0马力之间,同时适用于脉宽调制技术。他们有一
17、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3.0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
18、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
19、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
20、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
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