跑步机控制系统开题报告

电子信息工程学院

毕业设计开题报告智能跑步机控制系统的设计

学生姓名：刘茂龙

专业：电子信息工程

班级：94020102

学号：2009040201050

指导教师：曹阳

2013 年3 月

开题报告

一、选题的依据和意义

伴随着社会的发展与进步，人们的生活水平的提高，越来越多的的人喜欢在业余时间进行锻炼，跑步机使人们的业余生活得能够更加充实并且有益身心健康，跑步机控制系统的设计也作为跑步机的核心，设计应用数电、模电、单片机及接口技术、C51的编程等知识，可谓知识面含量非常广，但因现代的微电子技术、计算机技术和嵌入式微控制器技术等的飞速发展，让我们做出各种类型跑步机成为可能。目前各大城市都有很多家健身中心，不可或缺的跑步机也引领着时代的脚步。所以智能跑步机控制系统的设计也随着广大用户的需求而变得越发重要，跑步机的设计也在不断地改进和完善。

基于单片机跑步机控制系统主要在于单片机的应用。单片机又名嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller），明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，实现的是对象的智能化控制，这一点是巨型机和网络不可能做到的。其目前的发展趋势主要是CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

开发此项目可以使用户更好的体验跑步机的更多更实际的功能，通过这次毕业课题的设计，一方面，巩固了我们所学的知识，检验理论运用于实践的能力，同时能够对我所学知识进行一次全面的总结。另一方面，通过大量资料的查阅，使我对跑步机工作原理有了更深入的了解，有助于提高我独立分析问题和解决问题能力，而且还提高我们综合运用知识的能力和改善了我们的知识结构，为以后的工作积累了一定的经验。

二、选题研究的基本内容

要求基于单片机设计一个跑步机控制系统。该跑步机以单片机作为核心部件产生逻辑控制及信号，能够显示跑步者跑步的时间，跑步者消耗的热量，跑步者跑步的速度跑步机坡度可调的功能。通过软件编程，易于实现功能的扩展。

1、设计跑步机能够显示跑步的总时间。

2、设计跑步机能够显示跑步者跑步的速度。

3、设计实现跑步机速度与坡度可以调节。

4、设计跑步机显示跑步者累计消耗的热量。

5、逐步完成各部分电路的设计。

6、完成软件编程。

7、完成硬件电路的仿真及硬件调试等主要任务。

三、研究方法及措施

对现有的跑步机进行分析、理解，剖析其组成要件及各部件的组成原理，为选取合理软件的开发方案做准备，在设计的过程中遇到了很多的困难，智能跑步机的设计，要求达到四个技术指标，跑步机开始工作时，能够显示跑步的时间，显示跑步的速度，显示跑步过程中消耗的总热量，跑步机的坡度可调。设计通过单片机实现程序的编辑与脉冲信号的输出。时间显示部分利用定时器计时实现。跑步速度通过控制电机转速，调速电机转速由单片机编程输出方波信号并利用继电器控制直流电机的通断来实现调速电机通电时间，进而控制调速电机的转速。热量计算部分通过时间、速度、相应速度所对应的能量消耗指数来计算并通过液晶显示器显示。显示部分，设计同时显示跑步时间，跑步速度还有跑步时消耗的总热量。设计速度可调节快慢，本设计中速度通过按键调节，每按一次加速或减速键，速度会有相应的提升或减慢。在液晶显示器中显示出时间信号，速度信号还有消耗热量信号。另一个调坡度电机控制跑步机的坡度，调坡度电机选为步进电机，当调坡度电机通电时机电机转动，断电时电机停止转动，利用螺旋杆连接跑步机，通过控制电机的正反转，控制跑步机坡度的大小，既达到设计要求。

1、电机的选择与控制

本设计中有两个部分需要用到电机，一部分是跑步机的跑动带滚动部分，另一部分是跑步机坡度调节部分，需要用到两个不同的电机，本设计中均选择步进电机进行设计，步进电机通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制。

2、速度调节的设计

首先在速度调节部分，速度的控制主要是根据单片机内部编程来实现速度的变化，本设计可实现控制电机转速在一定范围内变化，进而使跑步机开始运作后的跑步带速度可以调节，即跑步者可以感受不同强度的跑步训练。设计的过程中电机速度与跑步带的速度纯在线性关系，因此可实现跑步带速度通过电机转速调节，本设计采用按钮调节，即加速与减速按钮，可调节跑步带速度的快慢，即满足了跑步机跑步速度可调的设计要求。

3、速度显示部分的设计

速度控制的设计还需要显示在显示屏上。这样方便于跑步者知道自己的跑步状态，以便在以后的跑步锻炼中确定适合自己的跑步速度。所以跑步机控制系统的显示部分也显得尤为重要，因此必须要用到液晶显示器，显示器通过单片机内部程序控制直接显示出跑步机运作时的实时数据。

4、跑步时间的显示

设计显示跑步者开始跑步后的跑步时间，即应用计时器功能累计计时，当跑步机停止工作时计时停止，总体由单片机内部程序编写控制，本模块比较容易实现。

图1 跑步机速度调节与显示模块

5、热量计算并显示

热量根据跑步的速度与跑步的时间累计计算得到，不同的跑步速度会对应不同的单位时间热量消耗值，本设计在设计时将不同速度段对应的热量消耗输入到单片机内部程序中，并在跑步机开始工作后会计算出跑步者实时累计消耗的热量，即达到了显示热量消耗的功能。热量值为速度与时间还有固定k 值的乘积。 6、坡度的调节

坡度调节也作为比较重要的一部分在设计要求之内，坡度的调节可以模拟不同的路况，更加贴近实际跑步的环境这样的设计更加符合实际的跑步环境。设计坡度调节需要应用到另一个电机，通过控制电机的运转状态来调节电机的运转时间长短，主要不是靠电机将人升上去，而是靠电机的旋转，带动螺纹杆的进出达到跑步机升降的作用。因此仅需控制坡度调节的电机开关通断即可控制跑步机的坡度，即达到了设计要求。下图为坡度调节模块原理框图。

图2 跑步机坡度调节模块

电机

驱动电路

坡度减小按键

坡度增加按键

51单片机

速度显示

驱动电路 减速按键

计时显示

51单片机

加速按键

调速电机