基于单片机的跑步机控制器设计

电子电路设计与方案基于单片机的跑步机控制器设计

作者/赵丽芳，南京信息职业技术学院

摘要：随着生活水平的提高，人们的健身意识增强。跑步机作为一种重要的健身器材得到了较为广泛的应用。本设计是以STC89C52单片 机为核心，利用C程序程序来控制STC89C52单片机各个引脚输出的变化，通过PWM调节实现直流电机转速的控制，并通过输出高低电平 来改变步进电机的状态，以实现跑步机的速度调节模拟以及坡度调节模拟的功能。

关键词：单片机；电动跑步机；STC89C52;控制器

跑步作为一项最为传统的运动，也是目前国际流行并被 体育界以及医学界所认可并给予了高度评价同时积极推荐 的有氧运动，所以，跑步机作为一种便于使用的，同时也是 用于最有效的有氧运动的健身器材，得到人们的青睐。

1.总体方案设计

跑步机以电力为其动力，通过控制其驱动电机的转动状 态来带动跑步机底座上的滚筒和跑带进行传动，从而实现跑 步带的移动功能。而使用者若要保持其在跑带上的位置的 话，则需要以与跑步带速度相等、方向相反的速度来进行奔 跑以维持其位置，从而达到锻炼的目的。电动跑步机控制器 系统一般由两大部分组成，分别为人机交互部分（主要实 现使用者的命令输入、跑步机运行过程中的时间、里程、速度、消耗掉的能量等等参数的显示功能）；调速部分（根 据使用者自身所适宜的速度需求来对跑步带驱动电机的转 动状态进行调节，从而实现跑步带的速度控制）。显而易见，调速部分是整个电动跑步机控制器系统的核心，它的性能对 整体跑步机的影响关系重大，是至关重要的部分。

图1跑步机系统框图

2.硬件设计

跑步机调速电机利用正弦波驱动永磁同步电机，也称作 正弦波永磁电机或者永磁同步电机来构成永磁同步电机驱 动系统。该系统利用的是磁场定向矢量控制技术，从技术层 面上来说比感应电动机更加简单，因此也更加容易实现，并 且该种方案中采用了非接触式电子换向结构，其应用在高档跑步机的前景比较宽阔。

根据系统设计的功能要求，本系统硬件电路的设计主 要包括：直流电机脉冲宽度调制调速电路，用于模拟坡度 调节的步进电机驱动电路，以及用于显示数据的L C D液晶 屏。本系统是基于STC89C52R C单片机的电动跑步机控制 器，以STC89C52R C单片机作为主控芯片，采用U S B接口 进行串行通信，利用电源插座进行供电驱动整个跑步机控制 器系统，系统框图见图1。

直流电机的驱动电路是用来驱动直流电机转动的电路，并通过PW M脉宽调制的方式来改变直流电机的转速。

显示电路采用LCD1602工业字符型液晶作为显示屏幕，LCD1602是由若干个5X7或者是5X11的等点阵字符位 构成，每个点阵字符位都可以显示_个字符。

3.软件设计

在系统硬件设计完成之后，采用的是Keil|iVision4软 件进行软件编程，软件流程图如图2所示。

利用Proteus软件进行硬件仿真，最后采用了 STC-ISP 软件进行程序的烧录。本次设计的部分主程序如下：while⑴

{keyscanf);

podu=step[ang];

if(run)

{lcdstring(2,0,”V=”）；

dispSpeed(speed);

lcdstring(l，12,”“);

lcdstring(l，13，”A=”）;writedata(‘0’+ang);

space=sec*speed/3600;//距离的计算公式时间*速度 lcdstring(l，0，”S=”）;

dispSpeed(space);//单次跑步最大99.9千米

ledstr丨ng(l，7, “T=”）；

dispHundred(sec);//单次跑步最大99.9千米

calorie=weight*space*k;//热量消耗

lcdstring(2,8, “”

dispHundred(calorie);

|

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电子电路设计与方案

图2系统软件流程图

lcdstring(2,12,”Kcal”）；

motor&=0; }//当程序处在ru n的状态时，LCD上显示各个参数

else

{lcdstring(l，0，“Press keyl to”）；

lcdstring(2,0，“start”）；}} }//如果程序不在ru n的状态，则在LCD显示模块显 示 “press keyl to start”〇

系统上电之后开始运行程序，这时电机处于停止的状 态，LCD显示屏上显示的是“PRESS K1 TO START”。与 此同时键盘检测电路开始检测键盘的状态，当检测到K1被 按下的时候，整体程序不再在处于死循环中，开始跳至主程 序开始运行，这时的直流有刷电机进入_个低速转动的状态，LC D上不再显示“P R E SSK1T0STAIRT”，取而代之 的是各项参数这时可以看到步进电机驱动模块上的LE D指 示灯被点亮，四个指示灯相当于四位二进制数，反映了当前 步进电机内部状态，也就是模拟的坡度，坡度需要综合考虑 各种因素，用微扰算法进行初步模拟后设定四个坡度状态。22丨电子制作2017年8月当检测到K2或者是K3按键被按下时，通过程序改变了 STC89C52R C的P2.5引脚的输出脉冲宽度，通过PW M调 制改变了电机的转速，按下K2电机转速增加，而按下K3 使则点击转速减小。当检测到K4按键被按下时，改变P1.0 口到P1.3 口的输出，使其输出的四个信号成为分别对应于 控制步进电机四个状态的信号，每按下_次1<4,坡度就会加1，步进电机顺时针转过_个微小的角度，当坡度达到4 的时候，再次按下K4坡度则将归零，电机逆时针调整到最 初的状态。

4.结论

由于坡度调节较难实现，本次设计中则采用了步进电机 来模拟对于坡度的调节。利用单片机，改变输出，可以使步 进电机产生5个不同的相位，分别对应于坡度调节中的1~5 档。采用目前最为常见的PW M调速方式来实现电机调速，模拟跑步机速度的调节。预先设计的多变挡调速在实物上只 能实现三挡的调速，即停止、慢速、高速。因为电机本身需 要一定的电压来进行驱动，而PW M调速范围有限，驱动电 机的电压占据了相当一部分的脉冲宽度，因此没能实现多级 调速。

参考文献

*[1]周平.电动跑步机控制系统的设计[J].机械与电子,2006(02). 21-23.

*[2]韩颖，王鹏.智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现[J].

电子测试，2013(22). 23-24

氺[3]刘斌，曹阳，王国庆，杨理践.基于LA P W算法磁记忆信号 相变特性的研究.仪器仪表学报.2016，35(4): 1238-12542

*[4]Liu B,Zhang H,Fernandes H,Maldague X.Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography,Lock-in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect (FOD)in CFRP[J],Sensors,2016,16(5):743.

*[5]刘斌，何璐瑶，霍晓莉，王国庆，杨理践.基于K p微扰 算法的磁场中M M M信号特征的研究[J].仪器仪表学报，2017,38(1):151-158,

*[6]Liu Bin,He Luyao,Zhang Hai,Cao Yang,Fernandes Henr ique.The axial crack testing model for long distance oil-gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J].Measurement,2017,103(l):275-282.

^[7]Liu B,He Y Y,Zhang H,Fernandes H,Ying F,Maldague X.

Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J],let Science Meas urement&Technology,2017, l l(l):2-8.

木[8]刘斌，曹阳，王缔，何璐瑶，杨理践.基于LM TO算法磁记忆 屈服信号的定量化分析[J].仪器仪表学报，

2017,38(6):145-152.