1、基于AV彈片機(jī)的智能跑步機(jī)限制器設(shè)計1引言電動跑步機(jī)是目前健身器材中的主流產(chǎn)品,它是通過電機(jī)帶動跑步帶使人以不同的速度被動地跑或走,在人體用力方面,比在地面上跑、走省去了一個蹬伸動作,可使人比在地面運(yùn)動消耗更多能量.但由于其功能比擬單一,缺乏娛樂性和交互性,長時間鍛煉會使人感到枯燥乏味.在全社會崇尚健身就是生活質(zhì)量的今天,傳統(tǒng)電動跑步機(jī)這種單調(diào)重復(fù)運(yùn)動已難以滿足人們對健身品質(zhì)的要求,而具有虛擬現(xiàn)實(shí)功能的智能跑步機(jī),以計算機(jī)虛擬的模擬環(huán)境代替現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境,給人身臨其境的沉浸感,增加了健身的樂趣,已成為目前的研究熱點(diǎn).本文將傳統(tǒng)電動跑步機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,研究并設(shè)計了具備傳統(tǒng)電動跑步機(jī)各

2、種健身模式且具有虛擬場景漫游功能的智能電動跑步機(jī)限制系統(tǒng).系統(tǒng)通過上下位機(jī)的串行通信進(jìn)行各種參數(shù)的實(shí)時傳遞,TFT液晶顯示器顯示友好的操作界面以及實(shí)時變化的運(yùn)動和體能參數(shù),采用觸摸屏與薄膜按鍵結(jié)合的操作方式增加操作的靈活性,是虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互在健身器材方面應(yīng)用的一個典型例子.采用ATME公司的ATmega128乍為跑步機(jī)的主控芯片,它具有先進(jìn)的RISC架構(gòu),內(nèi)部集成較大容量存儲器,有豐富的管腳資源,驅(qū)動能力強(qiáng),具有在系統(tǒng)編程功能,給限制系統(tǒng)的設(shè)計及程序的升級和維護(hù)提供了極大方便.2跑步機(jī)限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大局部組成.上位機(jī)采用普通計算機(jī),主要負(fù)責(zé)觸

3、摸屏限制、操作界面顯示、多媒體播放和虛擬場景漫游.下位機(jī)以ATmega12的核心限制器,配合相應(yīng)的外圍電路,通過采集鍵盤輸入、電機(jī)反應(yīng)、接收上位機(jī)信息等對跑步機(jī)進(jìn)行直接限制.上下位機(jī)通過串行通信總線RS232a行通信.跑步機(jī)限制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示,虛線框內(nèi)是下位機(jī)限制器設(shè)計.Tjwm輸陽卓氮用蚓用1BH上卻a單片機(jī)ATMEGAIwww-51kgi電悻或健盤圖1跑步機(jī)限制系統(tǒng)框圖1.2 系統(tǒng)功能下位機(jī)限制器通過變頻器限制電機(jī),增大了速度調(diào)節(jié)范圍并且實(shí)現(xiàn)無級變速,速度調(diào)節(jié)范圍為1.020.0km/h,坡度調(diào)節(jié)范圍為-5%15%配有心率信號接收器,可以通過佩戴胸帶或者手握跑步機(jī)兩側(cè)的手柄測試

4、心率.有多種健身方式可供選擇,包括普通健身、程序健身、模式健身、虛擬健身,并且具備多媒體播放功能.液晶顯示器顯示各種功能按鍵以及數(shù)字鍵盤,并配有功能提示,用戶可以在觸摸屏上操作,也可以直接操作跑步機(jī)面板上的薄膜按鍵.各種運(yùn)動參數(shù)在液晶屏上實(shí)時顯示.在虛擬現(xiàn)實(shí)健身模式下,跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度驅(qū)動虛擬場景的變換和信息的更新,場景路面坡度變化限制跑步機(jī)升降,實(shí)現(xiàn)跑步臺與虛擬場景路面狀況同步.系統(tǒng)配有緊急停止開關(guān),跑步機(jī)可迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)已保證平安.3 跑步機(jī)限制器硬件設(shè)計3.1 限制芯片限制芯片采用ATME公司ATmega12卵片機(jī),它是基于AVRft核的低功耗CMOS8：單片機(jī),單時鐘周期指令,可到達(dá)接近1

5、MIPS/MHZ勺性能,具有128KB在系統(tǒng)編程/應(yīng)用程序ISP/IAPFlash程序存儲器、4KBUPROM4KBSRAM32個統(tǒng)一工作存放器、53個通用I/O口、4個帶有比擬模式靈活的定時器/計數(shù)器、2個可編程的USAR禳口、可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時器等.利用它在系統(tǒng)編程功能可以方便的進(jìn)行程序的修改調(diào)試,參數(shù)可保存在內(nèi)置E2PROMK定時器/計數(shù)器的相位頻率可調(diào)PW網(wǎng)能尤其適用于馬達(dá)限制,內(nèi)置看門狗定時器可以在程序異常時及時復(fù)位.3.2 電壓轉(zhuǎn)換及掉電預(yù)檢測電路限制器電路板供電電壓為12V,經(jīng)MC7805專換為5V供單片機(jī)使用電壓轉(zhuǎn)換及掉電預(yù)檢測電路掉電預(yù)檢測電路原理圖如圖2所示13

6、3JiOilCl|01nWI1101無憂電子開發(fā)板Slkai£acomH2V匚+12VD5M+C7+5V+CS廣7Cl«1-oFTol圖2電壓轉(zhuǎn)換及掉電檢測電路在系統(tǒng)意外斷電時記錄跑步臺的坡度,保證再次上電時處于水平位置.采用ATmega12吶部的模擬比擬器,注意選擇適宜的電容和參考電壓,以保證足夠的參數(shù)寫入時間.當(dāng)模擬輸入端AIN1的電壓低于AIN0的電壓2.5V時,即輸入電壓降到7.5V以下時,模擬比擬器輸出ACCK1,觸發(fā)中斷,此時跑步臺的坡度值被寫入單片機(jī)內(nèi)部的百PROMK3.3 PWM輸出電路利用ATmega12吶部16位定時器/計數(shù)器應(yīng)用中的相位頻率可調(diào)PWM模

7、式,產(chǎn)生50Hz的PW瞰形,經(jīng)過濾波和電平轉(zhuǎn)換后輸出到變頻器.改變比擬存放器的數(shù)值可以得到不同的脈寬,實(shí)現(xiàn)對跑步機(jī)速度的控制.3.4 開關(guān)量輸入/輸出電路三路帶光電隔離的開關(guān)量輸入電路采集健身者在跑步臺上的位置信號,并以電平形式輸入單片機(jī),據(jù)此判斷健身者離限制臺的遠(yuǎn)近實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速.六路開關(guān)量輸出電路中,四路通過繼電器限制電機(jī)的升降來改變坡度,兩路限制橫流風(fēng)扇的風(fēng)量大小.3.5 編碼器信號輸入電路將轉(zhuǎn)速傳感器、心率接收裝置輸出的編碼器脈沖信號經(jīng)過電容濾波、74HC1罐形,輸入到單片機(jī)外部中斷接口.3.6 串口通信電路單片機(jī)與PC機(jī)的通信采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn),此標(biāo)準(zhǔn)與單片機(jī)的TTL電平不兼容,采

8、用MAXI花司的MAX202S行電平轉(zhuǎn)換,外部接0.1uF電容.單片機(jī)串行口的TXDRXD和GNDS電平轉(zhuǎn)換分別與計算機(jī)的RXDTXD和SGffi連,進(jìn)行全雙工通信.3.7 矩陣式鍵盤電路要實(shí)現(xiàn)開始、停止、暫停、速度加減、坡度加減、風(fēng)扇限制、速度和坡度直選等功能需要大量按鍵,因此采用4X8矩陣式鍵盤.由于跑步過程中的摩擦?xí)a(chǎn)生大量靜電,健身者操作鍵盤時靜電可能對電路造成破壞,除了在觸摸鍵上加防護(hù)舉措以外,在電路中參加TVS瞬態(tài)電壓抑制器二極管,由于TVS二極管的結(jié)面積較大,使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn),具有理想的保護(hù)作用.將TVS二極管正極接地,當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時,二極管發(fā)生

9、雪崩,為瞬態(tài)電流提供通路,使內(nèi)部電路免遭超額電壓擊穿或超額電流過熱燒毀.4 限制器軟件設(shè)計考慮到系統(tǒng)可移植性及便于維護(hù)和擴(kuò)充,系統(tǒng)軟件采用C語言編寫.ImageCraft的ICCAV幅一種使用符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語言來開發(fā)微限制器MCU程序的工具,它是一個綜合了編輯器和工程治理器的集成開發(fā)環(huán)境IDE.跑步機(jī)限制程序的編輯、編譯均在ICCAVR中完成.限制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想,主要包括主程序、鍵盤處理程序、中斷效勞程序和通信程序.主程序邏輯為：限制器上電后首先讀取E2PROMN呆存的速度系數(shù)和坡度參數(shù),實(shí)現(xiàn)開機(jī)復(fù)位和參數(shù)的初始化,然后進(jìn)入主循環(huán).鍵盤處理程序采用定時掃描方法,每隔300ms

10、使四行輸出均為低電平,判斷是否有鍵按下,假設(shè)有,再將四行依次輸出為低電平,同時讀入列值保存到一數(shù)組中,用switch-case語句進(jìn)行按鍵處理.速度和坡度加、減鍵假設(shè)被檢測到持續(xù)按下,那么處理屢次,實(shí)現(xiàn)速度和坡度的連續(xù)加減.有些功能鍵只處理一次就被鎖定,例如開始鍵被檢測到按下后置一個標(biāo)志,直到該標(biāo)志被去除再次按下才有效.將幾個按鍵組合在一起可以實(shí)現(xiàn)特殊功能,例如速度和坡度的自動校正.中斷效勞程序包括內(nèi)部定時器中斷、模擬比擬器中斷和外部中斷.內(nèi)部定時器中斷效勞程序主要負(fù)責(zé)健身時間計算、倒數(shù)計時、鍵盤的定時掃描、通信數(shù)據(jù)的定時發(fā)送等.模擬比擬器觸發(fā)中斷后,關(guān)閉所有其它中斷,將重要參數(shù)寫入E2PRO

11、W.外部中斷效勞程序主要負(fù)責(zé)脈沖信號計數(shù)和緊急停止.緊急停止接到最高優(yōu)先級的外中斷上,中斷觸發(fā)后迅速切斷PW畸出.實(shí)時顯示的運(yùn)動參數(shù)、來自計算機(jī)的命令等都是依靠全雙工串口通信傳遞.通信協(xié)議制定也采用模塊化的思想,不同的功能模塊有各自的標(biāo)志符號.通信協(xié)議定義如表1所示.按下電源鍵后下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)出握手信息,上位機(jī)檢驗這一信息符合協(xié)議那么向下位機(jī)反應(yīng)一條信息,建立通信.上位機(jī)通過串口獲得跑步機(jī)的各種數(shù)據(jù),用以更新虛擬場景畫面與操作界面的信息和參數(shù)顯示,并根據(jù)場景路面坡度變化通過串口通信限制跑步機(jī)的升降.主程序和通信程序流程圖如圖3、圖4所不.?開始跑步板復(fù)位電孑T名世界圖3主程序流程圖通知汁靠機(jī)下位機(jī)退出,停止融據(jù)收發(fā)普港鼓身校長健自圖4通信子程序流程圖表1通信協(xié)議定義起始符字節(jié)數(shù)標(biāo)志符數(shù)據(jù)校驗碼結(jié)束符1個字節(jié)1個字節(jié)假設(shè)干字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)5結(jié)論本文介紹了采用ATmgega12彈片機(jī)作為主控芯片的智能電動跑步機(jī)限制器設(shè)計,在實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)各種功