跑步機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要 I第一章緒論 11.1研究背景及研究意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本文主要研究內(nèi)容 5第二章串勵電機特性分析 72.1結構特點 72.2機械特性 82.3調(diào)速原理 92.3.1可控硅調(diào)速 92.3.2PWM調(diào)速 10第三章跑步機特性分析 123.1跑步機典型運動模型 123.2跑步機負載特性分析 12第四章跑步機控制硬件電路系統(tǒng)設計 134.1主體硬件電路設計 134.1.1電源電路設計 144.1.2驅(qū)動電路設計 154.1.3按鍵電路設計 154.1.4顯示電路設計 154.1.5晶振及復位電路 164.2抗干擾設計 164.2.1電路中的電磁干擾問題 164.2.2提高抗干擾性能的措施 17第五章軟件流程設計及仿真結果 185.1軟件流程設計 185.1主程序流程設計 185.1中斷程序流程設計 185.2仿真測試及結果 20第六章結論與展望 266.1結論 266.2展望 26參考文獻 27摘要本課題的主要目的是針對家庭用電動跑步機，選用串勵電動機作為跑步機動力源，由于其轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、適用電壓范圍廣、交直流兩用等優(yōu)點而得到日益廣泛的應用。論文首先深入分析了串勵電機內(nèi)部的工作原理、基本結構與機械特性，詳細分析了其調(diào)速方法；分析了跑步機典型運動模型和負載特性，比較考慮多種方案并結合實際情況后選擇PWM調(diào)速方法。其次，設計跑步機控制系統(tǒng)的硬件電路，對電源電路、驅(qū)動電路、按鍵電路等進行深入研究，并從電路硬件設計的初始階段開始考慮電磁干擾問題并進行抗干擾技術的研究。在硬件設計的基礎上，針對跑步機的調(diào)速方式和人體跑步的一般規(guī)律進行軟件流程設計。最后，通過C語言編程來實現(xiàn)相應功能并進行基于Proteus和KeilC的程序開發(fā)仿真，得到脈沖占空比和電機轉(zhuǎn)速的波形圖。仿真結果表明，設計的跑步機控制系統(tǒng)能夠完成預期功能，達到調(diào)速可靠的效果。關鍵詞：跑步機；串勵電機；調(diào)速系統(tǒng)；脈沖寬度調(diào)制第一章緒論1.1課題背景及研究意義跑步是一項老少皆宜的運動，通過跑步我們不但能夠強身健體，提高肌力，如果姿勢正確，還能燃燒脂肪、美體塑形。隨著人們的生活水平不斷提高以及工作壓力增大閑暇時間減少，越來越多的人開始注重身體健康和精神上的放松享受。跑步機作為健身房必不可少的設備，受到許多健身人士的喜愛，同時也是非常適合在家中運動的健身器材。室內(nèi)跑步不會受到天氣情況的影響，而且有些跑步機擁有良好的減震裝置，可以減少跑步對膝關節(jié)的損傷。跑步之前，需要先走步熱身，使全身血液流動并且避免肌肉拉傷和對關節(jié)的傷害，然后才能逐漸提高速度，有些跑步機還有登山模式，這些都需要跑步機的電動機擁有良好性能。而且人們通常會在跑步機還未啟動時站上跑步帶，然后再啟動跑步機，這又要求跑步機有較大的啟動能力。我國民用標準電壓為220V交流電，為了方便使用，希望跑步機能夠在民用標準電壓下直接工作。雖然現(xiàn)今社會人民的生活水平不斷提高，也愿意在強身健體方面做出投資，但對于市場商品來說，價格是必不可少的考慮因素，因此在提高跑步機功能的基礎上，也需要盡可能降低成本。基于以上問題，本文致力于研發(fā)一種基于串勵電機的跑步機控制系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電動跑步機是在健身房和家庭中使用的比較高檔的健身器材，它通過內(nèi)部電機帶動跑步機跑帶使運動人員以不同的速度被帶動走動或跑步。目前跑步機按用途來講分為兩類：商用跑步機和家用跑步機[1]，工業(yè)方面使用或者健身房使用的商用跑步機，使用交流電機可以維持長時間的運轉(zhuǎn)，使跑步機的輸出強勁有力，承重大，但是交流電機需要定期維護，聲音偏大。家用跑步機一般適用直流電機，比較安全，不用經(jīng)常維護，噪音比交流小，輸出穩(wěn)定，價格也更便宜，但是直流電機不適合長時間運轉(zhuǎn)，且家用跑步機承重輕[2]。跑步機中的電機轉(zhuǎn)速控制器控制著跑步機跑帶的轉(zhuǎn)動，是整個跑步機控制系統(tǒng)的核心部分，選用電機的性能是否良好對整個跑步機系統(tǒng)至關重要。黃永泉等人基于PHILIPSP87LP768單片機，利用單片機資源，使用給定的速度值、電壓采樣與電流采樣計算出相應速度的PWM控制信號，使用PWM調(diào)速對跑步機進行控制。該跑步機控制器電路簡單、性能良好、使用安全、成本低[3]。控制器的硬件結構圖如圖1所示。圖1硬件結構圖劉漢忠和邵群濤對單相串勵電動機閉環(huán)調(diào)速控制器進行了軟硬件設計，把交流電過零時刻作為基準時刻,對設定值和反饋值的偏差進行了PID算法調(diào)節(jié),根據(jù)其結果獲得可控硅的觸發(fā)時刻,從而改變電動機兩端的電壓,實現(xiàn)了串勵電機的無級平滑調(diào)速[4]。圖2閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構框圖李傳寶等人針對電動跑步機典型運動模型下脈沖式的負載特性,提出了基于重復控制補償?shù)膯紊窠?jīng)元自適應PID控制策略,對跑步機速度進行矢量控制，這種方法對控制信號有強跟蹤能力和良好的抗干擾性[5]。單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)如圖3所示。圖3單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)李琳和張峰提出了一種基于STM32微控制器的跑步機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件部分包括STM32微控制器、調(diào)速電路、電源電路和反饋電路等。文章在硬件上重點介紹了驅(qū)動電路的設計以及外圍電路的設計，使用了PWM調(diào)速方法，軟件上重點介紹了主程序和語音識別子程序的設計流程[6]。設計如圖4所示。圖4系統(tǒng)組成框圖倪有源等人采用遺傳算法進行PID參數(shù)整定，實現(xiàn)食物攪拌機用單相串勵電動機起動和調(diào)速過程。對傳統(tǒng)PID參數(shù)整定和遺傳算法PID參數(shù)整定進行對比，遺傳算法PID從多點并行操作，能夠在參數(shù)解空間中高效地尋找最優(yōu)解，極大加速了單相串勵電機調(diào)速過程中PID參數(shù)的整定，得到了良好的調(diào)速效果，與實際電機運行參數(shù)比較后發(fā)現(xiàn)遺傳算法不僅高效，而且能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。程輝和周洪采用PID控制器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制器相結合的直流斬波器對串勵直流電動機進行調(diào)速驅(qū)動，希望提高閉環(huán)控制的性能。在不同負載及不同給定時驗證并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)響應，研究結果表明該方式具有超調(diào)小、適應性強、動態(tài)特性好等優(yōu)點，提高了系統(tǒng)適應抗外部干擾的魯棒性。但是神經(jīng)網(wǎng)絡如果結構稍微復雜就不易于硬件實現(xiàn)[8]。系統(tǒng)控制結構如圖5所示。圖5ANN-PID系統(tǒng)控制結構圖吳松等人把全橋與半橋相混合，以混合橋式電路作為控制系統(tǒng)主電路，研究串勵直流電機的控制，通過改變電路中供電開關對的通斷從而改變電樞電流的方向和回路，進而改變串勵直流電機兩端的電壓和電機轉(zhuǎn)速。他們提出的控制方法能夠很好地控制串勵直流電機，取代機械式換向方法，降低控制系統(tǒng)的體積和生產(chǎn)成本[9]。控制系統(tǒng)主電路拓撲如圖6所示。圖6主電路拓撲圖陳浩等人對串勵電機調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性進行了研究，對于單相交流串勵電機驅(qū)動電路、控制電路和保護電路，他們探索了一種通過控制IGBT管的通斷來實現(xiàn)斬波式調(diào)壓的方法，同時提出了一種基于STM32ARMCortex-M3內(nèi)核單片機的調(diào)速系統(tǒng)。對單相串勵交流電機速度的設定值和反饋值進行增量PID運算，根據(jù)運算結果計算脈沖輸出的占空比，從而控制IGBT管的通斷并改變串勵電機兩端的電壓，最終實現(xiàn)無級平滑調(diào)速。該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)使用了更少的IGBT管，既能夠節(jié)約成本又能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。趙麗芳把STC89C52單片機作為控制核心，利用C語言程序來控制單片機各個引腳輸出的變化，通過PWM調(diào)速方法來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，通過輸出高低電平來改變步進電機的狀態(tài)，實現(xiàn)了跑步機速度調(diào)節(jié)和坡度調(diào)節(jié)的功能。但是由于驅(qū)動電機本身就需要一定的電壓，而PWM調(diào)速范圍是有限的，驅(qū)動電機需要的電壓占據(jù)了較多部分的脈沖寬度，所以沒有實現(xiàn)多級調(diào)速[11]。王壽福對無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行研究，將神經(jīng)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)PID結合，由于神經(jīng)網(wǎng)絡有強大的逼近能力，所以通過學習可以確定PID控制相關參數(shù)，針對系統(tǒng)空載和負載擾動進行仿真，表明此方法具有良好的靜動態(tài)性能。但是還有不足之處且未進行物理驗證[12]。控制結構如圖7所示。圖7基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制系統(tǒng)結構圖陳勝新分析了跑步機的負載特性，根據(jù)永磁同步電機效率高、體積小和噪音低的優(yōu)點設計了基于模糊控制的跑步機永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，提出對系統(tǒng)的過熱保護策略，采用模糊自適應PID控制算法對跑步機性能和穩(wěn)定性進行優(yōu)化，降低了運行噪音[13]。QiZhang等人對電動跑步機無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行研究，為了保證系統(tǒng)的高集成度和高可靠性，他們采用智能電源模塊（IPM）和保護模塊，要求在低速啟動和大負載時，控制周期電流來減小通過電機電樞繞組的平均電流。采用PID控制算法解決了脈沖負載變大時的速度波動問題。具有可靠性高、穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍廣和成本低壽命長等優(yōu)點[14]。AntonioT.Alexandridis和GeorgeC.Konstantopoulos考慮了一個由dc/dc升壓變換器和串聯(lián)勵磁直流電機組成的完整系統(tǒng)。提出了一種改進的非線性PI速度控制器，該控制器直接提供變換器的占空比輸入，提高了整個非線性系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)了獨立于系統(tǒng)參數(shù)變化或負載轉(zhuǎn)矩變化的電機精確調(diào)速，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗證了所提PI控制器在參考信號和外部負載快速變化下的性能[15]。YogieSanjaya等人為了在纖維生產(chǎn)過程中保持電機速度的穩(wěn)定，使用PID控制器。采用調(diào)光電路來控制提供給感應電機的交流電壓，并采用帶有信號調(diào)理器的旋轉(zhuǎn)編碼器來測量電機轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。采用齊格勒-尼科爾斯整定方法，得到PID控制器常數(shù)[16]。調(diào)速系統(tǒng)及PID控制器如圖8、9所示。圖8調(diào)速系統(tǒng)框圖圖9PID控制器框圖Yadav和Verma將自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)和基于改進粒子群優(yōu)化(MPSO)技術的PID速度控制器納入永磁同步電機，以提高其動態(tài)性能[17]。F.VijayAmirthaRaj和V.KamatchiKannan設計了一種新的基于自適應極限學習機(ELM)神經(jīng)網(wǎng)絡的模糊控制器，應用ABC算法優(yōu)化的自適應ELM神經(jīng)模型對模糊PI控制器的輸入?yún)?shù)進行調(diào)整，并對規(guī)則和模糊隸屬度函數(shù)進行優(yōu)化。利用優(yōu)化的自適應ELM神經(jīng)網(wǎng)絡模糊PI控制器對永磁同步電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進行了研究[18]。1.3本文主要研究內(nèi)容以串勵電機作為家用小型跑步機動力源，深入分析串勵電機內(nèi)部的工作原理，完成串勵電動機在直流電源和交流電源兩種條件下的轉(zhuǎn)動原理分析；多方面分析考慮對串勵電機轉(zhuǎn)速有比較大影響的因素，構建串勵電機的動態(tài)數(shù)學模型；針對所建的數(shù)學模型，設計電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的軟、硬件及保護，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使其兼具動力使用的高效率和家用的方便性，并符合實際應用條件。第二章串勵電機特性分析2.1結構特點單相串勵電動機是單相交流異步電動機，屬于交、直流兩用電動機。由于它具有轉(zhuǎn)速高、啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小和轉(zhuǎn)速可調(diào)等優(yōu)點，既可以連接直流電源使用，又可以連接單相交流電源使用，所以在電動工具和器材中得到廣泛應用。串勵電機主要有三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和支架，凸極鐵心和勵磁繞組組成定子，隱極鐵心、電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等組成轉(zhuǎn)子。它的定子鐵心由硅鋼片疊壓形成，通過電刷和換向器的連接在勵磁繞組與電樞繞組之間形成串聯(lián)回路。由于串勵電機自身的獨特優(yōu)點，其得到廣泛應用。串勵電機的優(yōu)點有以下幾個方面：（1）在家庭用小型跑步機中使用方便，串勵電動機雖然具有直流電機的結構，但是能在交流電源下工作，調(diào)速方便。（2）轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、不容易堵轉(zhuǎn)、適用電壓范圍很廣。單相交流電機在連接50Hz交流電源運行時，最高轉(zhuǎn)速只能達到3000r/min，但是交直流兩用電機在連接交流或直流電的情況下，最高轉(zhuǎn)速可以達到20000r/min。電機的體積和重量與鐵磁材料的用量有關，電機的轉(zhuǎn)速越高，電機中使用的鐵磁材料用量就越少，因此電機的體積和重量也相應減小。串勵電機可以用調(diào)壓的方法來調(diào)速，簡單且易于實現(xiàn)。（3）磁通隨電樞電流變化，也就是隨負載變化，電動機轉(zhuǎn)速隨著負載轉(zhuǎn)矩變化，串勵電機具有“軟”的機械特性。因為轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比，所以在同樣的電樞電流下，制動電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩很大，是其他單相交流電機的4到6倍，串勵電動機的起動能力和過載能力都比較好[19]。（a）（b）圖10單相串勵電機的等效模型單相串勵電動機的工作原理，與直流電動機的工作原理相似。圖10（a）是串勵電機的直流等效模型，電流經(jīng)電刷引入線圈，電磁力方向可以由左手定則判定，通過右手定則來判斷磁通的方向，磁極上的勵磁繞組產(chǎn)生磁通，在圖10（a）所示的電流情況下，下面是N極，上面是S極，產(chǎn)生的磁通方向是從下往上的。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是根據(jù)主磁通Φ和電樞電流Ia的方向，通過左手定則判定的，在圖10（a）中，在電磁力的作用下轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)動。當在串勵電機兩端加上交流電壓時，電源極性變成上負下正，由于電刷和換向片的作用，線圈中流過的電流時交變的，同樣可以根據(jù)左手定則判定電磁力的方向，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向仍為逆時針旋轉(zhuǎn)，所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向是不變的。串勵電機接交流電源后，雖然電源極性是周期性變化的，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向是始終恒定不變的，所以串勵電機可以應用在交流電源上運行。2.2機械特性圖11是串勵電動機的接線原理圖，勵磁電阻與電樞繞組串聯(lián)，勵磁繞組通過的電流If就是電樞電流Ia，主磁通Φ將隨電樞電流Ia的變化而變化。圖11串勵電動機接線圖（重畫）電動機在Ia較小且磁路未飽和時，Φ與Ia成正比，式中K為比例常數(shù)，即?=KI因磁通Φ和勵磁電流大小成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩Tem和電樞電流Ia的二次方成正比，此時電磁轉(zhuǎn)矩T由此可得Ia固有機械特性表達式為n=U將式（1）和式（3）代入到式（4）中，可以得到在磁路不飽和并且輕載時串勵直流電動機的機械特性為n=C該式表明轉(zhuǎn)速n與Tem圖12串勵電動機的固有機械特性（重畫）當Ia較大且磁路飽和時，主磁通Φ基本不變，此時串勵電動機的機械特性與他勵直流電動機的機械特性相似，在圖上顯示為特性較“硬”的直線，如圖12中的BC段。由機械特性曲線可以看出：（1）串勵電機的特性曲線是一條非線性曲線，其機械特性為“軟”特性，轉(zhuǎn)速會隨著負載轉(zhuǎn)矩的增大或減小而自動減小或增大，功率能夠幾乎保持不變，從而擁有良好的牽引性能，廣泛應用于機車類負載的牽引。（2）在空載的理想情況下，轉(zhuǎn)速為無窮大，但實際上因為剩磁磁通的存在，n0一般可以達到nN的5到6倍，由于空載運行會出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，所以不允許串勵電動機輕載或空載運行。（3）由式（2）電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電樞電流Ia的平方成正比，因此串勵電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。2.3調(diào)速原理單相串勵電機的轉(zhuǎn)速方程如下：n=[Ucosφ?I(R1式中：U-串勵電機兩端電壓；φ-相電壓和相電流的相位差；I-電樞電流；R1，R2-電阻值；ΔU-對電刷的接觸電壓；C從式（6）中可以看出，調(diào)壓調(diào)速、調(diào)磁調(diào)速和改變激勵線圈兩端的電阻調(diào)速都可以調(diào)節(jié)單相交流串勵電機的速度。單相串勵電機的調(diào)速大多數(shù)采用調(diào)節(jié)電壓的方法。2.3.1可控硅調(diào)速采用可控硅調(diào)速技術，具有線路簡單，元件體積小等特點。可控硅調(diào)速是通過改變可控硅導通角來改變接入電動機兩端電壓的波形，從而改變接入電機兩端電壓的有效值，最終達到調(diào)速的目的。當可控硅導通角α=180°時是全導通狀態(tài)，電動機端電壓波形為正弦波；當可控硅導通角α<180°時是非全導通狀態(tài)，電動機端電壓波形如圖13所示，接入電機端的電壓有效值比全導通時減小。α越大，導通狀態(tài)越多，接入電機端的電壓有效值就越大，所產(chǎn)生的磁場越大，則電機的轉(zhuǎn)速越高。圖13可控硅導通角為α1時的電壓波形（重畫）利用單片機控制可控硅調(diào)壓的硬件電路上主要涉及三個部分：（1）過零檢測電路，檢測交流電正半周與負半周的交界，接入單片機I/O口，其輸出應為脈沖信號，使單片機知道交流電相位；（2）按鍵電路，至少設置兩個按鍵用來加減觸發(fā)控制角，使單片機根據(jù)觸發(fā)控制角定時發(fā)出觸發(fā)信號；（3）觸發(fā)及可控硅電路。據(jù)可控移相整流的方法，有全波整流和半波整流兩種，全波整流使用雙向可控硅，可以在電壓波形的一個周期內(nèi)進行兩次調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)的靈敏度，及時調(diào)節(jié)電機速度使電機的運行更加平穩(wěn)。2.3.2PWM調(diào)速脈沖寬度調(diào)制（PWM）是按一定規(guī)律改變輸出脈沖序列的脈沖寬度，進而調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)制方式，用來等效獲得所需要的波形。矩形波PWM信號是控制系統(tǒng)中最常用的，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比進行控制。如圖14所示，占空比是指高電平的持續(xù)時間和PWM的時鐘周期時間之比。控制電機轉(zhuǎn)速時，PWM波的占空比越大，那么電機的轉(zhuǎn)速越高，如果一個周期內(nèi)全為高電平，即占空比為100%時，電機速度達到最高。圖14PWM信號占空比（重畫）脈沖寬度調(diào)制是一種利用數(shù)字輸出對模擬電路進行有效控制的技術，在控制電機的轉(zhuǎn)速方面可以節(jié)省能量。PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。PWM具有很強的抗噪性，讓信號保持為數(shù)字形式可以將噪聲對控制的影響降到最低，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。所以本研究選用PWM進行串勵電機的調(diào)速。第三章跑步機特性分析3.1跑步機典型運動模型在電動跑步機收到控制板發(fā)出的指令后，跑步機啟動后先有一段平穩(wěn)加速的過程，可以完成一次或多次加速度從零到設定的初始速度值或者從零到用戶設定的速度值的線性加速過程，然后速度達到設定值后跑帶勻速轉(zhuǎn)動，同樣的，跑步機暫停后速度從設定值平穩(wěn)下降結束運動，通過一次或多次的減速過程來減速，直到速度等于零。一般進行跑步運動是單一的加減速過程，所以電動跑步機的理想典型運動模型如圖15所示。圖15電動跑步機的典型運動模型（參考重畫）3.2跑步機負載特性分析當一個人在跑步機上進行跑步運動時，他的腳會與跑步機皮帶交替接觸。這個姿態(tài)決定了在理想運動模型下電動跑步機受到的負載為脈沖負載，負載幾乎是時間的周期函數(shù)，其值變化不大。如圖16所示，初始模式時，跑步機上的人由慢跑逐漸加速，跑步機受到的負載變得逐漸密集；而后人會以比較穩(wěn)定接近勻速的速度進行快跑。此時的負載則接近時間周期性變化；最后逐漸減速停止，跑步機受到的負載也逐漸稀疏[20]。圖16跑步機的典型負載特性（參考重畫）第四章跑步機控制硬件電路系統(tǒng)設計4.1主體硬件電路設計本課題以51單片機為控制核心，進行控制板硬件電路的設計。本設計使用的是Intel的80C51單片機，引腳圖如圖17所示，電源線VCC為+5V、VSS接地，振蕩電路接XTAL1和XTAL2腳，復位引腳為RST，并行口有P0、P1、P2、P3，PSEN是外部ROM讀選通信號，ALE是地址鎖存控制信號，EA是訪問程序?qū)こ跗诳刂菩盘枴D1780C51單片機引腳圖（重畫）跑步機的系統(tǒng)組成框圖如圖18所示。主體電路包括電源電路、驅(qū)動電路、顯示電路、按鍵電路、晶振電路和復位電路，如圖19所示。圖18跑步機控制系統(tǒng)框圖圖19主體硬件電路原理圖4.1.1電源電路設計電源電路是用電設備電力供應的電源部分的電路設計，是設計任何控制板都需要具備的電路，一個穩(wěn)定的電源電路對于整個控制系統(tǒng)來說非常重要，常用電源電路的模塊功能設計由整流、濾波和穩(wěn)壓構成。串勵電機需要220V交流電源，單片機需要5V直流電源，電路原理圖如圖20所示。交流降壓環(huán)節(jié)采用濾波電容C2，之后經(jīng)過三極管射極輸出。TL431是可控精密穩(wěn)壓源，可以等效為一只穩(wěn)壓二極管，如果有合適的外圍電路，那么TL431在很大范圍內(nèi)輸出的基準電壓質(zhì)量較好。R3，R4，R6組成TL431的保護電路，最終輸出穩(wěn)定恒壓5V。圖20電源電路原理圖4.1.2驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路使用的是H橋式直流電動機驅(qū)動電路。H橋是一個典型的直流電機控制電路，如圖21所示，當三極管Q1和Q4導通時，電流從正極經(jīng)Q1從左到右流過電機，然后經(jīng)Q4回到負極，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右到左流過電機，驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動。H橋的控制方式有三種，本文選用了脈沖寬度調(diào)制。圖21H橋直流電機控制電路（重畫）4.1.3按鍵電路設計P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4口分別接一個獨立按鍵。使用定時/計數(shù)器0的方式1，產(chǎn)生脈寬可調(diào)的矩形波。通過P1.0和P1.1兩個按鍵，一個實現(xiàn)脈寬高電平加寬，一個實現(xiàn)脈寬高電平變窄，P1.2和P1.3控制電機的正反轉(zhuǎn)，P1.4控制電機的啟動和暫停。在無按鍵按下時，由于單片機I/O口內(nèi)部自帶上拉電阻，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4被上拉電阻拉為高電平；當有按鍵按下時，對應接口立刻變?yōu)榈碗娖剑藭r其他按鍵仍為高電平，從而識別被按下的按鍵。這種方法結構簡單，容易識別，適用于需要使用的按鍵較少的場合。4.1.4顯示電路設計選用Proteus中的1602液晶顯示元件LM016L。數(shù)據(jù)端口D0-D7與51單片機I/O口中的P0口連接；EN是使能信號端，接P2.5腳，高電平1時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令；RW是讀寫選擇端，接P2.6腳，高電平1時進行讀操作，低電平0時進行寫操作；RS是數(shù)據(jù)和命令的選擇端，接P2.7腳，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時選擇指令寄存器。4.1.5晶振及復位電路晶振電路有兩個電容，兩個電容的一端分別接入到晶振的兩端，另一端接地，組成并聯(lián)諧振回路，晶振是時鐘電路中最重要的部件，主要是向電路的各部分提供基準頻率，如果工作頻率不穩(wěn)定會造成相關設備工作不穩(wěn)定并出現(xiàn)問題；晶振還有個作用是在電路產(chǎn)生震蕩電流時發(fā)出時鐘信號，提供一個時序控制的標準時刻。單片機的運行速度與晶振的頻率有關，晶體振蕩的頻率越高單片機的運行速度就越快，通常情況下仿真設定時鐘振蕩頻率為6-12MHz，本設計中設定晶體振蕩頻率為12MHz，與晶振連接的兩個小電容為33pF，用于提高晶振的穩(wěn)定性使芯片正常起振。復位電路的作用是對微控制器供電的瞬間，使其由初始狀態(tài)開始工作。若獲得供電后不經(jīng)復位便開始工作，那么微控制器內(nèi)的隨機存儲器、計數(shù)器等電路可能會因為某種干擾導致程序錯亂而不能正常工作，為此，設置復位電路對于微控制器來說是有必要的。單片機復位一般有兩種方式：上電復位和按鍵復位。上電復位是通過阻容充電電路實現(xiàn)，RST端與VCC電位在上電瞬間相同，RST端的電位隨著充電電流的減小而慢慢下降，選擇合適的電容和電阻才能使RC時間常數(shù)大于復位時間，進而保證上電復位發(fā)生。按鍵復位是通過電阻分壓電路實現(xiàn)的，壓下按鍵時串聯(lián)電阻上的分壓可以讓RST端產(chǎn)生高電平，松開按鍵時RST端產(chǎn)生低電平。只有按動按鍵產(chǎn)生的復位脈沖寬度大于復位時間，按鍵復位即可發(fā)生。而在本設計中，采用上電復位和按鍵復位結合的復合復位方法。上電復位的的電阻和電容分別選擇100Ω和1uF。4.2抗干擾設計抗干擾設計的基本任務是兩條，一是保護系統(tǒng)或裝置不受外界電磁干擾影響而產(chǎn)生誤動作或喪失原有功能，二是不發(fā)送過大的噪聲干擾而影響到外界其他系統(tǒng)或裝置的正常工作。4.2.1電路中的電磁干擾問題電路產(chǎn)生電磁干擾的要素有三點，分別為干擾源、干擾途徑和對電磁干擾敏感的器件。（1）電磁干擾源電磁干擾源種類繁多，可以按不同的方法進行分類，一般按照干擾源的來源分為自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源包括大氣噪聲干擾、太陽噪聲干擾、宇宙噪聲和靜電放電。任何電子電氣設備都可能產(chǎn)生人為干擾，包括無線電發(fā)射設備、工業(yè)設備、醫(yī)療設備、電力設備、電網(wǎng)干擾等。（2）電磁干擾的傳輸途徑任何電磁干擾的產(chǎn)生都必然存在傳輸途徑，電磁干擾的傳輸途徑一般分為兩大類：傳導傳輸方式和輻射傳輸方式。傳導傳輸是在干擾源和敏感器件中間有完整電路，通過導體傳播的電磁干擾，其耦合形式有電耦合、磁耦合和電磁耦合；輻射傳輸是通過介質(zhì)以電磁波形式傳播的電磁干擾，其耦合形式有近場感應耦合和遠場感應耦合。此外還有復合干擾，即同時存在傳導傳輸和輻射傳輸。（3）對電磁干擾敏感的器件電磁敏感器件是因受電磁干擾而性能降低的器件、設備或系統(tǒng)，如微處理器、數(shù)字IC、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等。在本系統(tǒng)中，串勵電機就是最大的電磁干擾源，干擾的傳輸途徑主要是傳導干擾，也有輻射干擾，敏感器件包括單片機和三極管。4.2.2提高抗干擾性能的措施由于電子電路產(chǎn)生電磁干擾，于是我們需要對電子電路進行抗干擾設計，根據(jù)形成電磁干擾的三要素可知，要實現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容，需要從三個方面著手：抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑和保護敏感器件。常用的方法有：（1）抑制干擾源：消除線圈的反向電動勢干擾、在繼電器兩端并聯(lián)火花抑制電路消除接點火花、給電機加濾波電路減小電機電磁噪聲、IC并接高頻電容以減小IC對電源的影響、PCB板的正確布線、可控硅兩端并接RC抑制電路消除可控硅干擾。（2）切斷干擾傳播途徑：充分考慮電源對單片機的影響減小電源噪聲干擾、將I/O口與噪聲源隔離、注意晶振的布線、電路板的合理分區(qū)、用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)分離、功率器件的放置于接地、關鍵連接線的處理。（3）提高敏感器件的抗干擾性能：布線時盡量減小回路環(huán)的面積、電源線和地線盡量寬大、閑置管腳接地或接電源、對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路、盡量使用速度較低的芯片、少用IC座盡量把IC器件直接焊接在電路板上。在本系統(tǒng)中，注意在PCB布線時避免垂直折線可以減少高頻噪聲。對于傳導干擾，由于串勵電機是最大的電磁干擾源，所以來自電源噪聲的危害極大，在設計電源時設置了較多的電容進行濾波；對于輻射干擾，使用地線將干擾源和電磁敏感器件進行隔離或增加他們之間的距離，注意晶振電路布線時要與單片機的引腳盡量靠近，晶振電路用地線接地，時鐘區(qū)用地線隔離。并且要將元器件合理地布置在電路板上，經(jīng)過分區(qū)使敏感器件遠離干擾源。第五章軟件流程設計及仿真結果5.1軟件流程設計在現(xiàn)代電子線路和控制系統(tǒng)的設計中，軟件的設計、編程及調(diào)試是非常重要的步驟，幾乎貫穿了整個開發(fā)過程。實用的微機系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)共同構成的，兩者相輔相成缺一不可，計算機硬件按系統(tǒng)軟件運行提供物質(zhì)基礎，在進行硬件設計的同時也要考慮到后面階段軟件設計實現(xiàn)的可能性。想要完成控制系統(tǒng)的設計，就需要設計出完善的控制軟件。5.1.1主程序流程設計主程序主要包括系統(tǒng)初始化、按鍵判斷、電機控制及轉(zhuǎn)速顯示。控制板上電后，單片機對系統(tǒng)進行初始化，包括內(nèi)部寄存器、I/O端口、中斷、定時器等。初始化完成后就進入主程序，主程序開始后是不斷循環(huán)的，當有外部輸入或中斷時，系統(tǒng)需要迅速響應并且按照設計好的中斷流程完成相應功能。主程序流程圖如圖22所示，控制板上電后單片機系統(tǒng)進行初始化并定期掃描按鍵判斷按鍵是否按下，如果按鍵被按下立即讀取鍵值，然后控制電機的啟停、正反轉(zhuǎn)和加減速的功能，最后將電機轉(zhuǎn)速和輸出脈沖占空比顯示在液晶屏幕上。圖22主程序流程圖5.1.2中斷程序流程設計在軟件流程設計中，中斷扮演了非常重要的角色，設計中斷程序是為了讓單片機對在主程序循環(huán)中隨機發(fā)生的事件進行及時處理，其在很大程度上提高了單片機處理內(nèi)外部突發(fā)事件的能力。80C51單片機內(nèi)部有5個中斷源，它們的基本內(nèi)容見表1。表1中斷源的基本內(nèi)容51單片機的中斷源中斷源名稱中斷級別中斷向量中斷號P3.2引腳的電平/脈沖狀態(tài)INT0-外部中斷0最高0003H0定時/計數(shù)器0的溢出標志位狀態(tài)T0-定時/計數(shù)器中斷T0第二000BH1P3.3引腳的電平/脈沖狀態(tài)INT1-外部中斷1第三0013H2定時/計數(shù)器1的溢出標志位狀態(tài)T1-定時/計數(shù)器中斷T1第四001BH3串口數(shù)據(jù)緩沖器的工作狀態(tài)TI/RI-串行口中斷最低0023H4本設計中使用到定時/計數(shù)器中斷T0，外部中斷1和定時/計數(shù)器中斷T1，通過T0產(chǎn)生PWM信號，通過INT1記錄電機轉(zhuǎn)速，通過T1顯示電機轉(zhuǎn)速。由于使用的按鍵較少，所以本研究采用獨立鍵盤對串勵電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行控制，按鍵子程序如圖23所示。軟件程序設計時要注意在鍵盤閉合和張開的瞬間會產(chǎn)生抖動，所以需要設計延時消抖的代碼。點擊按鍵后單片機引腳產(chǎn)生負跳沿，響應中斷程序，完成中斷響應、延時消抖、按鍵掃描和按鍵的功能執(zhí)行。中斷程序流程如圖24所示。圖23按鍵子程序流程圖圖24中斷程序流程圖5.2仿真測試及結果本文進行了跑步機控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件流程設計，使用Proteus軟件對主體電路進行仿真驗證。Proteus不僅可以可視化多種單片機實例的功能，還可以可視化多種單片機實例的運行過程，前者可以在很大程度上得到實物演示實驗的效果，而后者可以得到實物演示難以達到的效果。軟件中的元器件、連接線路等和單片機實驗硬件高度對應，在很大程度上替代了傳統(tǒng)單片機實驗的功能，并且Proteus提供了大量元器件庫，還可以在仿真過程中對電路進行靈活改動，其提供的虛擬儀器和儀表在數(shù)量和質(zhì)量上都是一般實驗室難以比擬的。使用Proteus軟件進行仿真，可以大大縮短設計時間、減少資金損耗、降低工程制造的風險。本文設計的跑步機主體控制電路的仿真圖如圖25所示。使用了80C51單片機、直流電機、電阻、電容、三極管、晶振、按鍵、電壓表、液晶顯示屏和示波器等。圖25主體控制電路仿真圖一般的電動跑步機的速度檔位為：慢走3-6km/h，快走6-8km/h，慢跑8-12km/h，快跑12km/h以上。跑步機速度與電機轉(zhuǎn)速的換算公式如下：K=r1L=π?r3n0=0.06nKL式中：r1-電機軸伸端-鐵帶輪外徑，單位mm；r2-跑步機-皮帶輪外徑，單位mm；r3-跑步機滾筒外徑，單位mm；n-電機轉(zhuǎn)速，單位rpm；K-電機與皮帶輪的減速比；L-滾筒的周長，單位m；n0-跑步機速度，單位km/h。參考正常家用跑步機的結構參數(shù)，本文設定參數(shù)電機軸伸端-鐵帶輪外徑為27mm，跑步機-皮帶輪外徑為88mm，跑步機滾筒外徑為46mm，后文的跑步機速度與電機轉(zhuǎn)速的換算參數(shù)均以此作為標準。通常情況下，跑步機使用的電機最大速度為5000-5800rpm時比較合適，那么通過仿真發(fā)現(xiàn)當占空比為30%時電機轉(zhuǎn)速約為5680rpm，仿真的轉(zhuǎn)速及占空比顯示如圖26所示，波形如圖27所示，A通道為正轉(zhuǎn)時的PWM占空比，B通道為反轉(zhuǎn)時的PWM占空比，C通道為電機轉(zhuǎn)速顯示。所以設定占空比最高為30%比較適宜人體正常跑步規(guī)律。圖26占空比30%時的仿真圖圖27占空比30%時的波形圖點擊“開始/暫停”按鈕，電機開始逐漸升速，由式（7）、（8）、（9）可得，初始占空比設定為3%時比較適宜，此時的轉(zhuǎn)速在3-4km/h，適合進行跑前慢走，其仿真圖和波形圖如圖28和圖29所示。然后由運動人員點擊“加速”按鈕自行加速進行跑步運動，“加速”和“減速”按鈕每點擊一次則占空比加1%或減1%，占空比增加則轉(zhuǎn)速增大，占空比減小則轉(zhuǎn)速降低。或者運動人員也可以在跑步開始前先將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到需要的檔位，然后點擊“開始/暫停”按鈕直接開始快跑。根據(jù)仿真代碼設計，在占空比到達0后點擊“減速”會保持占空比為0不變，在占空比到達30%后點擊“加速”會保持占空比為30%不再增加。圖28占空比3%時的仿真圖圖29占空比3%時的波形圖按鍵還設置了正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，即本系統(tǒng)擁有正向跑步和倒走鍛煉的功能，電機初始設置為正轉(zhuǎn)，波形類似于圖29，點擊“反轉(zhuǎn)按鈕”后波形圖如圖30所示。最后再次點擊“開始/暫停”按鈕，電機逐漸降速至0，結束運動。圖30占空比3%時反轉(zhuǎn)的波形圖本跑步機系統(tǒng)設計中共提供30檔調(diào)速，電機轉(zhuǎn)速可以從0升至5680rpm，選擇主要的幾個速度檔位展示，主要速度檔位對應的轉(zhuǎn)速、占空比及跑步機速度如表2所示。3-4檔為慢走，5-6檔為快走，7-15檔為慢跑，16-30檔為快跑。表2主要檔位與轉(zhuǎn)速、占空比及跑步機速度對照表檔位351015202530轉(zhuǎn)速（rpm）1420248541104565497053305680占空比3%5%10%15%20%25%30%跑步機速度（km/h）3.86.610.915.1第六章結論與展望6.1結論近年來隨著人們對身體健康和運動健身越來越重視，電動跑步機作為一種常用的健身器材受到廣大健身愛好者黨的喜愛，跑步機的調(diào)速系統(tǒng)也成為研究的重點。本研究基于串勵電機作為電動跑步機的動力源進行系統(tǒng)設計，主要工作有以下幾個方面：（1）對串勵電機的特性進行分析，包括其結構特點、機械特性和調(diào)速原理，并推導了機械特性表達式。對兩種調(diào)速原理，可控硅調(diào)速和PWM調(diào)速進行深入分析并選擇合適的調(diào)速方法即PWM調(diào)速。（2）對電動跑步機特性進行分析，得出跑步機的典型運動模型和負載特性。（3）介紹了51單片機并設計了以51單片機為控制核心的串勵電機跑步機調(diào)速系統(tǒng)，包括電源電路、驅(qū)動電路、按鍵電路、顯示電路等，并對電路進行了抗干擾的保護設計。（4）在硬件系統(tǒng)設計的基礎上，應用C語言進行了軟件程序部分的設計和調(diào)試仿真，包括主程序流程和中斷程序流程的設計，還有利用Proteus軟件進行單片機控制串勵電機轉(zhuǎn)速電路的仿真，得到波形圖和預期的仿真結果。6.2展望在本設計中，控制系統(tǒng)擁有電機的啟停、加減速和正反轉(zhuǎn)功能，速度檔位適合人體的正常跑步速度，是比較完善的簡單家用跑步機系統(tǒng)。但系統(tǒng)的調(diào)速靈敏度和穩(wěn)定性還有待進一步提高，一些方面還有待深入研究：（1）研究更加精密的控制算法，如PID模糊控制，將算法運用到電機轉(zhuǎn)速的控制上，使電機轉(zhuǎn)速的升降更加精確平滑。（2）近年來人們對跑步機的功能要求越來越高，可以多多拓展跑步機的其他功能，如心跳血壓檢測、為運動者智能設計運動方案等。設計成果產(chǎn)品化有很長的道路要走，雖然本課題初步實現(xiàn)了系統(tǒng)預期的功能，但還需要進一步的優(yōu)化設計，想要成為商品走向市場，就要更高的要求和更嚴格的測試。參考文獻[1]章楊.適合各類人員的跑步機健身器材[J].質(zhì)量報告.健身器材[2]KennethJ.HuntandLindsayJamieson.FeedbackControlDuringTreadmillExercise[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology.2008,16(4):624-635.[3]黃永泉,林群,朱善安.基于單片機的直流電動跑步機控制器設計[J].工業(yè)控制計算機,2004(05):41-42.[4]劉漢忠,邵群濤.單相串勵電動機閉環(huán)調(diào)速控制器的設計與實現(xiàn)[J].微特電機,2006(12):21-23.[5]李傳寶,宮杰,蔡春強.電動跑步機基于重復控制補償?shù)淖赃m應PID控制[J].機械制造與自動化,2008(05):108-111.[6]李琳,張峰.基于STM32的智能跑步機控制系統(tǒng)設計[J].電子測試,2013(Z1):66-70.[7]倪有源,陳浩,趙亮.基于遺傳算法實現(xiàn)單相串勵電動機閉環(huán)調(diào)速[J].微特電機,2014,42(11):63-66.[8]程輝,周洪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制的串勵直流電動機調(diào)速系