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SPCE500A

SPCE500A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 and

implementation

Han 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 introduces

intelligent 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。