畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于AT89C51單片機的電動跑步機直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

I裝訂線電動跑步機直流調(diào)速系統(tǒng)摘要近年來,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對自身的健康也日益關(guān)注,健身成為一種流行時尚,健身器材行業(yè)也逐步興起為一個大的消費領(lǐng)域,電動跑步機作為一種重要的健身器材得到了越來越廣泛的應(yīng)用,具有廣闊的市場前景。研發(fā)具有多功能和高附加值的人性化科學化的電動跑步機具有重要的現(xiàn)實意義。電動跑步機的電控系統(tǒng)是整個跑步機運轉(zhuǎn)的核心,它需要具有用戶接口界面功能、電機調(diào)速功能和其他附加功能。本論文以電動跑步機直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對象,以實用、舒適、高性價比、高可靠性和高安全性為目標,以單片機AT89C51為控制核心,完成了有刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計和總體軟件開發(fā)等任務(wù)。從理論分析到軟硬件實現(xiàn),全面詳細的闡述了電動跑步機電控系統(tǒng)的設(shè)計全過程。本文首先對系統(tǒng)各個模塊進行了初步選擇與論述，然后對硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計做了詳細的說明。關(guān)鍵詞跑步機直流調(diào)速系統(tǒng)單片機II裝訂線DCelectrictreadmillspeedcontrolsystemAbstractInrecentyears,withsocio-economicdevelopmentandpeopleslivingstandards,peoplesownhealthisalsoincreasinglyconcernedaboutthefitnesstobecomeapopularfashion,fitnessequipmentindustryisalsograduallyrisetoalargeconsumptionofelectrictreadmillasaimportantkindsoffitnessequipmenthavebeengrowingawiderangeofapplications,hasbroadmarketprospects.R&Dhasamulti-functionalandhighvalue-addedhumanelectrictreadmillscientificpracticalsignificance.Treadmillelectricmotorcontrolsystemisthecoreoftreadmillrunning,itneedstointerfacewiththeuserinterfacefunctions,motorfunctionsandotheradditionalfeatures.Inthispaper,aDCelectrictreadmillspeedcontrolsystemforthestudytopractical,comfortable,cost-effective,highreliabilityandhighsecurityasthegoal,AT89C51single-chipmicrocomputertocontrolthecoreofthecompletionofabrushDCmotortransferspeedsystemhardwaredesignandsoftwaredevelopment,suchastheoveralltask.Fromthetheoreticalanalysistohardwareandsoftwaretoachieveacomprehensivedetailoftheelectricrunningcontrolsystemofmechanicalandelectricaldesignoftheentireprocess.Inthispaper,firstofall,eachmoduleofthesystemwithapreliminarydiscussion,andthenonthehardwareandsoftwaresystemdesignsuchadetaileddescription.Keywordstreadmillspeedcontrolsystemsingle-chipcomputerI裝訂線目錄第一章緒論.11.1課題研究目的和意義.11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.2.1專業(yè)跑步機.21.2.2家庭用小型跑步機.31.3本文的主要內(nèi)容.3第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)定.42.1系統(tǒng)組成.42.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計.42.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計.52.3.1系統(tǒng)控制器的選擇.52.3.2檢測元件的選擇.52.3.3輸入通道方案選擇.62.3.4外圍接口設(shè)備的選擇.6第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計.83.1控制單元電路設(shè)計.83.1.1.AT89C51引腳特性.83.1.2.時鐘電路設(shè)計.113.1.3.復位電路設(shè)計.123.2信號檢測電路設(shè)計.143.3控制電路設(shè)計.143.4外圍設(shè)備接口電路設(shè)計.153.4.1.顯示器接口電路設(shè)計.153.4.2.鍵盤接口電路設(shè)計.16第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計.174.1總體設(shè)計思想.174.1.1.系統(tǒng)工作原理.174.1.2.程序設(shè)計法的選擇.174.1.3.程序設(shè)計語言的選擇.184.2主程序的設(shè)計.194.3PWM控制子程序設(shè)計.204.4數(shù)碼管顯示程序.25II裝訂線第五章總結(jié).34致謝.35參考文獻.36共36頁第1頁裝訂線第一章緒論1.1課題研究目的和意義隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對自身的健康也日益關(guān)注，從而更熱衷于參加各種體育運動。然而，在現(xiàn)代城市生活中，許多人特別是腦力勞動者，從事體力勞動和體育運動的時間和空間都大為減少。據(jù)調(diào)查顯示，運動量不足，成為許多人處于“亞健康狀態(tài)”的重要原因之一。1996年，美國衛(wèi)生署發(fā)表了體育運動與健康報告，大力倡導美國人從事健身運動，強化心肺功能訓練，增強身體自然抵御力，進而開啟了有氧心肺健身器材產(chǎn)業(yè)的序幕。近年來，全球健身器材產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。據(jù)2006年中國健身器材行業(yè)研究報告統(tǒng)計，2005年，全球健身器材市場銷售額已突破100億美元，同比增長超過15%。目前，歐美國家仍是世界健身器材的主要消費國家，其中美國是世界健身器材消費的第一大國，約占全球的三分之二，且市場年增長率超過10%；而美國以外的市場，規(guī)模雖不龐大，但市場年增長率卻在20%以上，增長勢頭良好。在我國，健身器材產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏世界知名品牌；而市場需求量卻增長迅速，從而出現(xiàn)了世界健身器材巨頭(如美國愛康健身器材公司、美國諾德士集團以及韓國秀健健身器材公司等)紛紛“搶灘”中國市場的局面。目前，健身器材產(chǎn)業(yè)主要分為有氧健身器材(如跑步機、橢圓機、健身車、劃船機等)和重量訓練器材(如仰臥起坐板、杠鈴、啞鈴等)兩大類。而作為一種重要的有氧健身器材的跑步機，剛剛出現(xiàn)，就受到了人們的廣泛喜愛。一方面，它滿足了人們在室內(nèi)進行跑步鍛煉的需要，因為跑步是目前國際流行并被醫(yī)學界和體育界給予高度評價并積極推薦的有氧健身運動，是保持一個人身心健康最有效、最科學的健身方式；另一方面，從科學的角度看，在跑步機上進行的走或者跑，在動作外形上幾乎與在地面上走或跑一樣，但是從人體實際用力看，它比在陸地上走或跑省去了蹬伸動作，從而使得跑步者感覺十分輕松自如，并比在陸地上多跑1/3的路程，能量消耗也大于陸地訓練。2006年中國健身器材行業(yè)研究報告中指出，電動跑步機是目前世界上銷量最大、進入家庭最多的心肺功能鍛煉器。在健身活動比較發(fā)達的歐美等地，各種健身器材已經(jīng)成為許多家庭的必備品；而在我國的許多大中城市，跑步機等健身器材也開始走進家庭。在美國KEYS健身器材公司和青島英派斯健身集團分別進行的調(diào)查顯示，在被調(diào)查的人當中，選擇跑步機進行鍛煉的人數(shù)分別占到了總?cè)藬?shù)的63%和75%。不難看出，健身器材產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外市場均具有廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿?，?6頁第2頁裝訂線而跑步機作為健身器材中的寵兒，其市場前景則更為廣闊。因此，開發(fā)性能優(yōu)異的跑步機產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)健身器材設(shè)計的耐用性以及所使用的場所不同，目前市場上的跑步機主要分為兩類:專業(yè)健身房用跑步機和家庭用小型跑步機。前者作單項訓練用一般僅有跑步功能，技術(shù)含量及配件品質(zhì)較高，耐用性高，價格昂貴；后者的突出特點是所占空間小，重量輕，價格相對比較便宜，并且往往增加了如劃船運動、按摩等功能。對于不同用途的跑步機，其調(diào)速系統(tǒng)也有著較大差別:1.2.1專業(yè)跑步機直流有刷調(diào)速系統(tǒng)以其控制線路簡單、調(diào)速范圍寬、過載能力較大和優(yōu)異的控制性能在各類跑步機產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外跑步機用驅(qū)動電機仍以有刷直流電機為主，采用直流電動機不可逆PWM系統(tǒng)。此前，青島英派斯健身集團開發(fā)的一款DP220T健身房用跑步機就是采用了跑步機用有刷直流電動機為驅(qū)動電機，以集成PWM控制芯片SG3525A為核心，硬件電路實現(xiàn)的電壓負反饋、電流補償控制的PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)。盡管有著控制簡單的優(yōu)點，但直流有刷電動機由于存在電刷和換向器的機械換向結(jié)構(gòu)，長期運行必然需要經(jīng)常維護電刷和換向器，而且，山于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難、溫升增加，限制了電機轉(zhuǎn)矩重量比的進一步提高。使用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)取代直流有刷調(diào)速系統(tǒng)是目前研究的一個重要方向。一種方案是采用感應(yīng)電動機作為驅(qū)動電機，感應(yīng)電動機本身比直流電動機具有壽命長、免維護等優(yōu)點，但是為了獲得較寬的調(diào)速范圍(一般跑步機的調(diào)速比約為25:l)，需要采用較為復雜的矢量控制技術(shù)，電機的參數(shù)變化對其也有較大影響，目前用感應(yīng)電動機構(gòu)成伺服系統(tǒng)的總成本比直流伺服系統(tǒng)要高。韓國秀健健身集團曾推出使用高性能交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電動跑步機。另一種方案采用正弦波驅(qū)動的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，利用磁場定向矢量控制技術(shù)，較感應(yīng)電動機易于實現(xiàn)，并采用非接觸式的電子換向結(jié)構(gòu)，在高檔跑步機的應(yīng)用領(lǐng)域具有較廣闊的發(fā)展前景。而無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在電動跑步機上的應(yīng)用也是研究的一大熱點。一方面，無刷直流電動機具有有刷直流電動機運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點；另方而，由于其采用電子換向裝置取代了有刷直流電動機的機械換向結(jié)構(gòu)，從而又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點。因此，采用無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)較其它方案具有更高的性價比。而對于電動跑步機系統(tǒng)，由于其要求較大的起動轉(zhuǎn)矩，所共36頁第3頁裝訂線以，采用帶位置傳感器的PWM調(diào)速系統(tǒng)是性能較好的方案。對于其具體的實現(xiàn)方案主要有兩種，一種是以無刷直流電機專用控制芯片為核心控制單元構(gòu)成無刷電動機調(diào)速系統(tǒng)。最具代表性的是MOTOROLA公司生產(chǎn)的第二代無刷電機控制專用芯片MC33035，它集成了譯碼、PWM生成、保護等無刷電機控制的諸多功能，組成的系統(tǒng)所需外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，可與同系列芯片MC33039配合構(gòu)成速度閉環(huán)控制，具有較好的調(diào)速性能，其不足之處在于調(diào)速式單一，無法使用較為復雜的算法。另一種方案是采用高性能的微控制芯片對無刷電機進行控制，控制方式靈活，調(diào)速系統(tǒng)具有更高的性能。1.2.2家庭用小型跑步機對于價格相對便宜的家庭用小型跑步機，主要是根據(jù)市場的實際需求，在保證技術(shù)指標的前提下，盡量考慮設(shè)計的經(jīng)濟性和實用性。因此，家庭用跑步機幾乎都采用的是直流有刷調(diào)速系統(tǒng)。例如，國內(nèi)某型號的跑步機，采用低價位的8位單片機AT89C2051為核心單元構(gòu)成了直流有刷電機調(diào)速系統(tǒng)，電機采用脈寬調(diào)制方式進行