基于单片机的电动跑步机控制系统设计

基于单片机的电动跑步机控制系统设计

一、选题简介、意义

由于全地球人们生活状况越来越好，而且生活越来越滋润，吃得变好，喝的变好，同时生活越来越便利，从而导致人们的运动时间和机会变得越来越少。所以现今越来越多的人群开始关注健身，那么健身首选的还得是跑步。可是因为人们忙碌的生活和习惯导致在外面运动有许多麻烦，而且有很多人特别是经常久坐和不爱运动或者因为工作的原因无法运动的人群，大多数因为工作特色和如今便利的生活工具的原因很难主动地去外面劳动和运动。因此在家中和工作场地或者像健身房等室内场地能够进行高效的健身运动慢慢的变成了新时代非常新颖的运动潮流。

时代在变化科技技术也在不断更新完善，跑步机的研究也没落下，正在不断地进步。现如今研究出来的电动跑步机有着各种各样的功能，虽然功能多样但是对于使用者来说操作却非常简明不需要担心不会使用的问题。比如心率检测功能，它可以时时的检测你的心率，这一功能使得使用者锻炼健身的效率大大加强。还有很多关键的功能，比如说距离检测功能可以检测出你跑了多少米，还有计算这次运动所消耗的热量是多少。电动跑步机的问世简直是所有跑步爱好者的福音，也标志着运动健身的开始进入一个新时代。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

（一）：主要研究内容

本片论文就是研究现代化电动跑步机的控制系统,但是由于电动跑步机组成和功能的不同,也会有许多不同种类的电动跑步机。而本篇论文所研究的电动跑步机主要功能有实时测心率和调速功能。首先需要了解电动跑步机的大概组成，然后由它的组成去选择电动跑步的各个器件。本文研究的就是电动跑步机的硬件和软件组成的控制系统。其中硬件所要研究的是主控系统，还有心率系统和调速系统。软件所研究的是主程序和各个子程序。

（二）：需要解决的问题

①：调速电路如何设计

②：电动跑步机的具体控制原理

③：如何把控制面板和电动机结合起来

④：程序编写之中需要用到的各类指令

⑤：触摸屏的编排与脚本的编写

⑥：程序与触摸屏通信量的链接

（三）：预期目标

根据项目要求完成电动跑步机理想的组装，设计出准确的电动跑步机的控制系统。

（四）：研究步骤

①：上网查找相关设备说明书，认真阅读学习会使用到的内容，整理出会使用到的部分，完成开题报告。

②：根据资料熟悉电动跑步机全部零件的作用与组装。

③：对照整理的信息以及设备动作顺序进行程序的编写。

④：根据项目要求进行触摸屏的编写及通信量的设定、链接。

⑤：运行调试，确认完全达成项目要求之后整理资料，完成论文及答辩。

（五）：方法及措施

通过实验法，不断调试不断改正自己的错误，完善自己的程序，达到完整无误的系统运行。

目录

第一章绪论 1

1.1电动跑步机控制系统的背景及意义 1

1.2电动跑步机国内外研究现状 4

1.3本文研究内容 5

第二章系统方案 6

2.1电动跑步机的大概组成 6

2.2控制系统的设计 6

第三章跑步机控制器硬件设计 8

3.1主控电路设计 8

3.1.1单片机 8

3.1.2单片机时钟电路 9

3.1.3单片机复位电路 9

3.2心率检测电路 11

3.2.1前置差动放大器电路 11

3.2.2滤波电路 12

3.3调速电路 13

3.4按键电路 13

3.5显示电路 14

3.6电源电路 15

3.7隔离电路 15

第四章软件分析与编写 16

4.1软件设计任务 16

4.2主程序 17

4.2.1系统初始化 19

4.3紧急状况断开程序 20

4.4按键子程序 21

第五章分析与调试 23

5.1电磁兼容性分析 23

5.2 调试 23

第六章结语 24

参考文献 25

附录 26

第一章绪论

1.1电动跑步机控制系统的背景及意义

一般来说运动分为两种一种是有氧运动另一种是无氧运动，那么健身器材也就分为两类一是有氧运动器材二是无氧运动器材。有氧健身就是需要氧气来参与代谢的运动比如跑步，瑜伽，攀高或者爬楼等运动方法。这些运动可以非常有效的加强人体的心肺功能，这种运动的特点就是运动强度较低、运动时间较长。无氧运动其实就是没有氧气参与代谢的运动。专业来说就是在短期内进行强度较高的活动。运动学来说无氧健身可以锻炼肌肉群。

专业的健身知识是在二十世纪八十年代在中国开始流传起来，直到现在已经成为一个行业。这两千多年以来，特别是中国加入WTO和北京申奥的成功之举，健身行业就更加兴旺开始了全民健身的热潮，全国健身房和健身器材制造厂如雨后竹笋一样发展迅猛，大小城市都开始有健身房，而且家中的健身器材也欲来越多。所以电动跑步机的研究势在必行，要跟上时代的步伐，并且展望一下未来就可知道未来的健身行业的前景是前所未有。未来当我国已经满足了国内的市场需要后，就可以做健身器材的出口贸易。然而国内逐渐富裕的人们在不愁吃不愁喝的和平年代也开始关注健康，提高自己的生活水准和对自身健康的担忧，所以现在越来越多的人发现了这里面的商机，越来越多的健身房开始在全国范围内招商建立。那么现在国际认可最佳的有氧运动便是跑步了。

跑步如今全球公认最佳的有氧运动，因为其简单方便的特色被广大热爱健身的人群所喜好。有许多大大小小的报道都提到跑步运动可以发泄自己的不良情绪，对自身的心身健康有很大的帮助。但是人们可能因为自身工作与环境问题无法外出跑步，有心跑步锻炼却没有场地，这个问题困扰了人们很多年。因此，当电动跑步机的出现让那些有心运动却没有场地的人群幸喜若狂，第一批电动跑步机的出现就让人们一抢而空。电动跑步机使人们不需要再被场地时间所束缚，买回家下班和放假都可以在家里跑步，电动跑步机的出现昭示着全民健身的一个新时代，一个不需要外出就可以跑步健身的时代。

而且从科学的方面来说，跑步机的履带带动使用者跑步，这样就省去了地面跑动的蹬伸动作，可以更好的保护跟腱等部位，而且在跑步机上跑动和在地面上跑动并无差异，从消耗的热量来看反而是在跑步机上跑动消耗的更多。作为室内健身的重要道具，电动跑步机的研究和发展呈现出大好的前景。

当健身风潮刚传到中国时，为了加强国民锻炼，但是由于技术的原因而研发了一种中国式跑步机，专业来说就是机械式跑步机，又被人们称作主动式跑步机。顾名思义机械式跑步机就是通过使用者自身通过腰部、臀部、膝盖，双脚和相关肌肉群而产生推力，推动履带从而产生动力。

这种老式的落后的跑步机主要是通过使用者自身通过腰部、臀部、膝盖，双脚和相关肌肉群而产生推力，推动履带从而产生动力。其动力来源都是来自使用者自身。所以只要使用的人停下来了，那么跑步机也就失去了动力来源而停了下来。所以这种老式的跑步机唯一的优点就是相对比较安全。然而现今已经被时代淘汰了。

使用这种运动跑步机的时候，你可能会觉得更累，就自我感觉燃烧的热量会更多，其实不然。这样的运动方式其实消耗的热量并不多，不光消耗的热量不多反而对身体伤害很大，在一开始你可能感觉不到，时间长了就会发现得不偿失，并且对身体造成难以修复的伤害。许多大小报道都提过：在户外跑步，脚踝、膝盖和腰部都会受到震动。尤其是膝盖处受到的震动最大，跑步爱好者都会对自己的膝盖格外关注。和户外运动相比机械跑步机上运动，除了之前说的自身与地面撞击产生的震动以外，还要向后产生一个动力来保持电动机的运行。而这个多出来的力会加重使用者的韧带和跟腱的负荷。从而长期的使用机械跑步机会对这些部位产生不可磨灭的伤害。这样子锻炼反而得不偿失，失去了锻炼健身的真正含义。所以刚开始研制出来的机械跑步机必定会被淘汰。

同时跑步这项运动看似简单但其实也有很多门道，若是不明白其中的道理就起不到锻炼的作用。尤其是中老年人，身体活性不如年轻人，粗暴地锻炼方式只会伤害自身。机械跑步机不仅不能起到强身健体反而还会对身体有损害。因此现在全球都早已经开始研究能真正的锻炼身体的电动跑步机。

传统的中国式跑步机是纯属靠使用者提供动力，因此在最开始的锻炼中非常困难。而且因为人力发动会对使用者自身产生很大的负荷，尤其是对使用者的膝盖和脚踝处，容易对膝盖和脚踝造成不可磨灭的损害。而且很难调节跑步机的速度，可以说是相当的不方便。让使用者产生负面情绪，从而使他对跑步产生厌烦感。

传统的中国式跑步机其原理相当简单，就是在你上了跑步机后用力的往后镫，是跑步机的跑带开始转动，当加到一定速度时，跑步机的跑带就有了惯性，然后需要后蹬的力就不用一开始那么大，但还是需要一直保持一个向后的的力来保持跑带的转动。这种方式相当费力，所以使用者会觉得这种跑步机消耗的能量会更多。

其实这种跑步机在消耗能量上和燃烧热量上并没有像想象中那么高，纯属就是吃力不讨好，达到的效果往往是事倍功半。

还有这种跑步机功能单一，往往使用者都不知道自己的运动量是多少，使得使用者在训练计划中不能更好的规划自己每天的运动量。而且最重要的是机械跑步机不能时时刻刻保持一个相同的速度，也无法让使用者详细的知道自己这次跑了多少米，这在一个锻炼计划中影响很大。这样不完整的训练计划很可能就导致使用者的锻炼效果大打折扣。所以当电动跑步机的问世所有跑步爱好者都淘汰掉了以前的传统式跑步机。

刚问世的电动跑步机被运动爱好者戏称为被动性跑步机，它大多数是由微型电脑来操控，功能众多，就是价格稍贵，但是和它所带来的收益来讲还是很划算，可以说性价比很高。现今的电动跑步机和之前传统的跑步机不同应该就是动力的不同了。电动跑步机的来源是电力，这一改变大大的增加了使用者锻炼的效果。和机械跑步机相比它不需要使用者自身提供动力，而且电动跑步机可以随使用者的心意来控制速度大小。完全不需要使用者自己费心费力的去控制速度。这样使用者就不再需要自己提供动力使跑带转动，所以在锻炼的过程中就可以降低自身的身体负荷，使膝盖和脚踝所受到的压力降到最低。这样的跑步机才能真正的锻炼身体而不是伤害身体。

1.2电动跑步机国内外研究现状

我国健身器材刚起步的时候，只有很少的健身器材制作工厂，而且还是那些很传统的健身器材，和国外相比健身器材的种类较少，而且规模也很小，这是由国情和市场需求来决定的。这个时候风靡国外的跑步机还没有传入国内。当跑步机这个新东西进入中国市场后，有远见的商人在其中发现了巨大的商机，于是开始投资跑步机的生产。过了不久许多人也看到了其中的商机，然后开始跟风。于是乎全国各地大大小小的城市都出现了健身行业。开始引进国外的健身理念和多种多样的健身器材。然后我们自己也开始制造属于我们自己的跑步机。后来随着人们狗的越来越好对自己身体健康的要求越来越高，许许多多的人加入了健身的队列中。市场需求开始变大，但是慢慢的人们发现了机械式跑步机的不利之处，这时候又是国外的电动跑步机开始进入中国市场。被我国许多锻炼爱好者所喜好。然后我国也开始研究这种新颖的电动式跑步机。

后来健身器材行业在我国发展迅速，跑步机的销量也一片大好。但是谁也没想到的全球经济危机爆发，我国经济萧条，许多公司行业受到巨大冲击，跑步机的市场需求开始直线下降，很多健身器材行业都一一倒闭。后来我国经济开始慢慢恢复，重建了市场。而那些安全度过经济危机的健身器材行业也慢慢复苏，但是由于高端技术的缺乏，我国健身行业始终不如国外的健身行业。同时国产的跑步机在海外和国内的市场竞争都逊于国外进口的跑步机。因此开发和研究新型的电动跑步机的任务是现在的当务之急。

到了现在，已经是全民健身时代，参与健身的人越来越多，但是由于国产的跑步机技术上落后于国外的电动跑步机，所以国外的那些健身器材大鳄都发现了中国的巨大市场，开始纷纷抢占中国的健身器材市场。所以中国电动跑步机的研究势在必行，要跟上世界潮流，与时俱进。这样才能不论后于别的国家。

1.3本文研究内容

综上所述，本片论文就是研究现代化电动跑步机的控制系统,但是由于电动跑步机组成和功能的不同,也会有许多不同种类的电动跑步机。而本篇论文所研究的电动跑步机主要功能有实时测心率和调速功能。首先需要了解电动跑步机的大概组成，然后由它的组成去选择电动跑步的各个器件。本文研究的就是电动跑步机的硬件和软件组成的控制系统。其中硬件所要研究的是主控系统，还有心率系统和调速系统。软件所研究的是主程序和各个子程序。

参考文献

[1]深圳市兴威帆电子技术有限公司.EM78P459手册 [z].2002.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M]..北京:机械工业出版社,2003.

[3]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南 [M].北京:机械工业出版社.2001.

[4]谢剑英.微型计算机控制技术[M].北京:国防工业出版社.1991.

[5]陶永华.等.新型PID控制及其应用[M.北京:机械工业出版社.2002.

[6] 孙浩．智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现［D］．南京邮电大学，2011．

[7] 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，2013，12( 22) : 23

[8] 刘洋．智能化健身器械的研究与应用设计［D］．中国科学技术大学，2015．

[9] 李莉．动力电池均衡系统的优化设计［D］．电子科技大学，2012．

[10]温略钦．适用于多种控制网络的智能控制器的研制［D］．华南理工大学，2013．

[11]王严．基于单片机的无刷直流电机控制系统设计与实现［D］．南京邮电大学，2013．