智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现

1 智能型电动跑步机系统硬件结构组成智能型电动跑步机的结构组成如图1所示，我们可以看到，其控制系统主要包括五部分，分别是单片机（SPCE500A型）、运动心率的检测、跑步机的输入、跑步机的调速、语言输出/输入部分。

跑步机的硬件部分是智能型电动跑步机正常工作最基本的部分。

因此，在跑步机设计完成后，首先我们应该对硬件进行一定调试，以便于及时地发现并解决问题。

在最开始设计跑步机的时候，我们对电路的某些性能及参数进行了选择，但是仅仅停留在简单的理论上，设计过程中没有考虑到它的实际使用。

为此，需要单独测试性能和参数，以防诸多不确定因素造成的问题不断积累。

图1 智能型电动跑步机系统硬件结构图1.1 单片机SPCE500ASPCE500A是新一代16位的智能单片机（由凌阳科技股份有限公司生产），这种单片机具有语音识别能力，内部有10位单通道A/D转换器、10位双通道A/D转换器，32位并行I/O接口、2个16位计数器、定时器、14个中断源、2K的静态的RAM，和32K的快速ROM。

该系统具有高集成度，小体积，强抗干扰能力等优点。

通常，控制系统的主芯片为这种类型的单片机，它不仅不需要通过外部的ROM和RAM拓展，而且由于其内部具有D/A、A/D这两种转换器，使得该系统的外围电路就显得更加简单。

1.2 智能型电动跑步机电机调速电路PWM控制信号就是利用调制的技术对脉冲宽度进行调制从而获得相应波形（该波形为控制系统中所需要）。

因为SPCE500A型号的单片机可以PWM输出，因此，使用前只需对输出占空比进行适当调整，就能让跑步机控制、并调速。

如下图2所示。

图2电机调速电路示意图对于PWM信号，其主要通过TimeB，SPCE500A中断，在10B8端口（B口）输出，再经过驱动、4N25光电耦合器输出，将信号加在G极（IGBT端口）处，通过各种不同动作，控制智能型电动跑步机电机的各种工作。

1.3 智能型电动跑步机心率检测电路随着我国科学技术的不断发展，人们在使用跑步机时，希望能够随时了解自己的心率，从而能够根据自己的心率调整相对适宜的跑步的速度。

所以，该系统在进行设计时特意加入了采集心率的电路。

人体的心率在不断地上升，当上升到了一定值的时候，电机速度将自动降低。

2 音频输出对于单片机SPCE500A中的音频输出和驱动方式，我们可以选择不同方式，比如驱动方式有音调输出方式和语音输出方式、音频输出有双通道DAC输出、单通道输出。

智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现韩 颖1,王 鹏2（1.四川旅游学院,成都,610100；2.成都工业学院,成都,611730）摘要：跑步机是人们最欢迎的健身器材之一。

本文主要以SPCE500A单片机为例介绍智能型电动跑步机驱动控制系统的设计与实现。

关键词：体育锻炼；健身器材；智能型；电动跑步机Intelligent treadmill drive control system design andimplementationHan Ying1,Wang Peng2(1.Sichuan Tourism University,Chengdu，610100;2.Chengdu Technological University,611730)Abstract：The treadmill is one of the most popular fitness equipment.This paper mainly introducesintelligent SPCE500A microcontroller, for example treadmill drive control system design and implementation.Keywords：Physical exercise;fitness equipment;intelligent;treadmill四川省教育厅青年基金项目（编号：2006B091）网络出版时间：2013-11-22 15:05在设计该系统的语音输出方式时，我们采用一种将不同的声音通过转换通道DAC将输出还原为音频电流（电压），并能够达到声音数据采样率相同的速度的输出方式，该方式为双通道DAC。

而在放音的时候，把需要播放的声音数字量的值写进两个DAC单元里面，并通过D/A转换器将其转换成电流的模拟信号，从AUD1、AUD2两个音频输出端的管脚输出。

3 智能型电动跑步机系统软件设计智能型电动跑步机系统软件由多部分组成如：主程序、定时子程序、语音播放程序、PWM调速子程序、中断服务子程序等等。

其中，负责该系统控制和协调的是主程序，而且通过不同的子程序，让其共同来完成不一样功能的工作。

对于软件的调试常用的方法有两种：一种称为应用层程序，如逻辑处理、算法等等。

类似于这种程序就可以通过借助不同编程软件如Visual C++、MATLAB等工具来进行检验；另外一种称为底层驱动程序，如单片机中系统时钟配置、I/O 控制等，这种程序我们可以借助万用表、示波器等工具检验。

为了强调本系统的基本特征，我们将重点介绍其语音解压的相关原理。

音频编码算法简写为SACM。

对于SPCE500A单片机，它主要有三种不同的解压缩及语音压缩的算法——SACM-S480、SACM-A200、SACM-S240，分别对应20kB/S、16kB/S、24kB/S的语音压缩编码率，这3种算法原理相同，都是先将预先算好的各种程序在录制进计算机，大小为16位，8K的音频文件（格式WAV.），将文件压缩至2进制（通过PC机进行压缩)，再输入其用户程序，并存进ROM。

当需要播放时，只用解压其文件，并用8K的频率送入进D/A，将相应的声音还原出即可。

对于这3种编码算法，各自有各自的优缺点，区别主要是它们各自的资源占用不同、压缩率不同等等。

对于SACM-A200，其音质较好，但它的压缩率却较小；三者中压缩率最大的是SACM-S480，但相比之下，它的音质也比较差；不管是压缩率还是音质，SACM-S240均在SACM-A200和SACM-S480之间。

此外，每一种算法的库函数都是比较完整的，以SACM-A200单片机为例子，开始播放语音前，其初始化函数表达式为SACM_A200_ Inital()，播放函数为SACM_A200Play(int speech_Index,int channel,int Ramp_set),在该函数中，是否允许音量进行增减为Ramp_set，选择播放的通道采用channel语句，speech_ Index则是播放语音的索引号，另外，获取语音数据、并将其填进解码队列，我们主要运用SACM-A200_serviceLoop()。

对于语音播放程序，它主要也包括两个不同的子程序：中断服务及播放程序。

前者主要负责读数据，将数据送进D/A转换器转换，并驱动喇叭使其发音；而后者主要负责已经压缩好的各种语音数据（在ROM中取），完成定时器TimeA、D/A转换器以及音量值的初始化。

4 智能型电动跑步机系统的兼容性问题由于跑步机与运动者人身安全息息相关，这就要求我们在对系统设计时必须具备高安全性和强可靠性。

对于该系统，除了要求其在硬、软件上采取多种不同的措施（数字的滤波、硬件冗余、故障的诊断等等），还要相应处理跑步机器件的一些其他功能（抗震、散热等等）。

同时，由于功率转换电路在PWM 系统工作时的频率比较高，会使得电路存在较高电压和电流变化率，所以我们在设计该系统时，就可以考虑其电磁的兼容性。

5 系统设计后，实际使用中故障诊断为了使得设计的系统能够在具有实用价值，我们简单模拟了跑步机中有可能出现的各种系统故障：5.1 通信系统的故障最开始，按照要求将跑步机的电机和上下控板等设备连接上，在其上面板上将跑步机传送带的最高速度设置为20km/h，待其速度稳定运行之后移除通信线，通过控制下控板，跑步机逐渐减速，直到平稳停机。

5.2 传感器、霍尔元件的故障首先从下控板中将霍尔信号拆除，跑步机根据设定的速度进行运转。

此时，我们可以发现跑步机无论按照何种速度运行，该电机均不会正常工作；换个方式，我们将其电源断开，把霍尔元件重连，再一次开启跑步机系统，采用20km/h的速度运行，待其速度稳定又移除霍尔信号的时候，我们就可以很清楚的看到，电机不仅能够自由停机，下控板均不会对其整个减速过程进行控制。

5.3 断电故障在单片机的使用过程中有时候会突然断电，为模拟这种情况，进行了断电故障。

首先，我们在传送带上设置体重为70kg的测试者，然后将上控板设置为传送带最高速20km/h，等跑步机速度运行正常后，突然断开交流电源。

可以看到，即使突然断开交流电源，跑步机的储备能还是可以维持其进行短时间的工作，并且因为断电之前其速度比较快，以及有限的直流侧电容储能，所以导致断电后，电机依然会出现较大的速度变化率，这就是比较危险的，可能对人身造成伤害。

单纯电气方法无法解决该问题，应在电机轴上安装辅助减速装置（惯性轮），从而保证人身安全。

6 结束语综上所述，SPCE500A单片机由于内部带有A/D、D/A转换器，该系统中内存容量大，将其作为主芯片，就不需要添加其他外围的电路，而且它的硬件电路是比较简单的，所以说方便维护。

此外，该系统中还具备语音提示功能，设计时更加具有人性化，使用该设备者能够在比较好的氛围里得到更加轻松的锻炼，并且有效地改变了传统枯燥的锻炼的方式，其效果更好。

参考文献［1］张化光,何希勤.模糊自适应控制理论及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008,23(2):219-222.［2］叶新华SPCE500A在语音遥控器中的应用[J].郑州轻工业学院学报,2009,46(3):20-23.［3］ 李自成,程善美,秦忆.不同 PWM调制方式下无刷直流电机电磁转矩的计算[J].微电机,2010,43(3):10-13.［4］李新华,庄百兴等.1.5kW高压无刷直流电动机及其控制器的研制[J].微特电机，2007，35（10）：4-6.作者简介韩颖（1981.8—）女，汉族，吉林和龙。

讲师，硕士。

研究方向：运动保健。

王鹏（1981.7—）男，汉族，四川仁寿人。

讲师，硕士。

研究方向：运动人体科学。