基于單片機的跑步機控制器設計

作者/趙麗芳，南京信息職業技術學院

基于單片機的跑步機控制器設計

作者/趙麗芳，南京信息職業技術學院

隨著生活水平的提高，人們的健身意識增強。跑步機作為一種重要的健身器材得到了較為廣泛的應用。本設計是以STC89C52單片機為核心，利用C程序程序來控制STC89C52單片機各個引腳輸出的變化，通過PWM調節實現直流電機轉速的控制，并通過輸出高低電平來改變步進電機的狀態，以實現跑步機的速度調節模擬以及坡度調節模擬的功能。

單片機；電動跑步機；STC89C52；控制器

跑步作為一項最為傳統的運動，也是目前國際流行并被體育界以及醫學界所認可并給予了高度評價同時積極推薦的有氧運動，所以，跑步機作為一種便于使用的，同時也是用于最有效的有氧運動的健身器材，得到人們的青睞。

1. 總體方案設計

跑步機以電力為其動力，通過控制其驅動電機的轉動狀態來帶動跑步機底座上的滾筒和跑帶進行傳動，從而實現跑步帶的移動功能。而使用者若要保持其在跑帶上的位置的話，則需要以與跑步帶速度相等、方向相反的速度來進行奔跑以維持其位置，從而達到鍛煉的目的。電動跑步機控制器系統一般由兩大部分組成，分別為人機交互部分（主要實現使用者的命令輸入、跑步機運行過程中的時間、里程、速度、消耗掉的能量等等參數的顯示功能）；調速部分（根據使用者自身所適宜的速度需求來對跑步帶驅動電機的轉動狀態進行調節，從而實現跑步帶的速度控制）。顯而易見，調速部分是整個電動跑步機控制器系統的核心，它的性能對整體跑步機的影響關系重大，是至關重要的部分。

圖1 跑步機系統框圖

2. 硬件設計

跑步機調速電機利用正弦波驅動永磁同步電機，也稱作正弦波永磁電機或者永磁同步電機來構成永磁同步電機驅動系統。該系統利用的是磁場定向矢量控制技術，從技術層面上來說比感應電動機更加簡單，因此也更加容易實現，并且該種方案中采用了非接觸式電子換向結構，其應用在高檔跑步機的前景比較寬闊。

根據系統設計的功能要求，本系統硬件電路的設計主要包括：直流電機脈沖寬度調制調速電路，用于模擬坡度調節的步進電機驅動電路，以及用于顯示數據的LCD液晶屏。本系統是基于STC89C52RC單片機的電動跑步機控制器，以STC89C52RC單片機作為主控芯片，采用USB接口進行串行通信，利用電源插座進行供電驅動整個跑步機控制器系統，系統框圖見圖1。

直流電機的驅動電路是用來驅動直流電機轉動的電路，并通過PWM脈寬調制的方式來改變直流電機的轉速。

顯示電路采用LCD1602工業字符型液晶作為顯示屏幕，LCD1602是由若干個5×7或者是5×11的等點陣字符位構成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。

3. 軟件設計

在系統硬件設計完成之后，采用的是Keil μVision4軟件進行軟件編程，軟件流程圖如圖2所示。

利用Proteus軟件進行硬件仿真，最后采用了STC—ISP軟件進行程序的燒錄。本次設計的部分主程序如下：

圖2 系統軟件流程圖

系統上電之后開始運行程序，這時電機處于停止的狀態，LCD顯示屏上顯示的是“PRESS K1 TO START”。與此同時鍵盤檢測電路開始檢測鍵盤的狀態，當檢測到K1被按下的時候，整體程序不再在處于死循環中，開始跳至主程序開始運行，這時的直流有刷電機進入一個低速轉動的狀態，LCD上不再顯示“PRESS K1 TO START”，取而代之的是各項參數這時可以看到步進電機驅動模塊上的LED指示燈被點亮，四個指示燈相當于四位二進制數，反映了當前步進電機內部狀態，也就是模擬的坡度，坡度需要綜合考慮各種因素，用微擾算法進行初步模擬后設定四個坡度狀態。當檢測到K2或者是K3按鍵被按下時，通過程序改變了STC89C52RC的P2.5引腳的輸出脈沖寬度，通過PWM調制改變了電機的轉速，按下K2電機轉速增加，而按下K3使則點擊轉速減小。當檢測到K4按鍵被按下時，改變P1.0口到P1.3口的輸出，使其輸出的四個信號成為分別對應于控制步進電機四個狀態的信號，每按下一次K4，坡度就會加1，步進電機順時針轉過一個微小的角度，當坡度達到4的時候，再次按下K4坡度則將歸零，電機逆時針調整到最初的狀態。

4. 結論

由于坡度調節較難實現，本次設計中則采用了步進電機來模擬對于坡度的調節。利用單片機，改變輸出，可以使步進電機產生5個不同的相位，分別對應于坡度調節中的1～5檔。采用目前最為常見的PWM調速方式來實現電機調速，模擬跑步機速度的調節。預先設計的多變擋調速在實物上只能實現三擋的調速，即停止、慢速、高速。因為電機本身需要一定的電壓來進行驅動，而PWM調速范圍有限，驅動電機的電壓占據了相當一部分的脈沖寬度，因此沒能實現多級調速。

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