基于单片机的跑步机控制器设计

作者/赵丽芳，南京信息职业技术学院

基于单片机的跑步机控制器设计

作者/赵丽芳，南京信息职业技术学院

随着生活水平的提高，人们的健身意识增强。跑步机作为一种重要的健身器材得到了较为广泛的应用。本设计是以STC89C52单片机为核心，利用C程序程序来控制STC89C52单片机各个引脚输出的变化，通过PWM调节实现直流电机转速的控制，并通过输出高低电平来改变步进电机的状态，以实现跑步机的速度调节模拟以及坡度调节模拟的功能。

单片机；电动跑步机；STC89C52；控制器

跑步作为一项最为传统的运动，也是目前国际流行并被体育界以及医学界所认可并给予了高度评价同时积极推荐的有氧运动，所以，跑步机作为一种便于使用的，同时也是用于最有效的有氧运动的健身器材，得到人们的青睐。

1. 总体方案设计

跑步机以电力为其动力，通过控制其驱动电机的转动状态来带动跑步机底座上的滚筒和跑带进行传动，从而实现跑步带的移动功能。而使用者若要保持其在跑带上的位置的话，则需要以与跑步带速度相等、方向相反的速度来进行奔跑以维持其位置，从而达到锻炼的目的。电动跑步机控制器系统一般由两大部分组成，分别为人机交互部分（主要实现使用者的命令输入、跑步机运行过程中的时间、里程、速度、消耗掉的能量等等参数的显示功能）；调速部分（根据使用者自身所适宜的速度需求来对跑步带驱动电机的转动状态进行调节，从而实现跑步带的速度控制）。显而易见，调速部分是整个电动跑步机控制器系统的核心，它的性能对整体跑步机的影响关系重大，是至关重要的部分。

图1 跑步机系统框图

2. 硬件设计

跑步机调速电机利用正弦波驱动永磁同步电机，也称作正弦波永磁电机或者永磁同步电机来构成永磁同步电机驱动系统。该系统利用的是磁场定向矢量控制技术，从技术层面上来说比感应电动机更加简单，因此也更加容易实现，并且该种方案中采用了非接触式电子换向结构，其应用在高档跑步机的前景比较宽阔。

根据系统设计的功能要求，本系统硬件电路的设计主要包括：直流电机脉冲宽度调制调速电路，用于模拟坡度调节的步进电机驱动电路，以及用于显示数据的LCD液晶屏。本系统是基于STC89C52RC单片机的电动跑步机控制器，以STC89C52RC单片机作为主控芯片，采用USB接口进行串行通信，利用电源插座进行供电驱动整个跑步机控制器系统，系统框图见图1。

直流电机的驱动电路是用来驱动直流电机转动的电路，并通过PWM脉宽调制的方式来改变直流电机的转速。

显示电路采用LCD1602工业字符型液晶作为显示屏幕，LCD1602是由若干个5×7或者是5×11的等点阵字符位构成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

3. 软件设计

在系统硬件设计完成之后，采用的是Keil μVision4软件进行软件编程，软件流程图如图2所示。

利用Proteus软件进行硬件仿真，最后采用了STC—ISP软件进行程序的烧录。本次设计的部分主程序如下：

图2 系统软件流程图

系统上电之后开始运行程序，这时电机处于停止的状态，LCD显示屏上显示的是“PRESS K1 TO START”。与此同时键盘检测电路开始检测键盘的状态，当检测到K1被按下的时候，整体程序不再在处于死循环中，开始跳至主程序开始运行，这时的直流有刷电机进入一个低速转动的状态，LCD上不再显示“PRESS K1 TO START”，取而代之的是各项参数这时可以看到步进电机驱动模块上的LED指示灯被点亮，四个指示灯相当于四位二进制数，反映了当前步进电机内部状态，也就是模拟的坡度，坡度需要综合考虑各种因素，用微扰算法进行初步模拟后设定四个坡度状态。当检测到K2或者是K3按键被按下时，通过程序改变了STC89C52RC的P2.5引脚的输出脉冲宽度，通过PWM调制改变了电机的转速，按下K2电机转速增加，而按下K3使则点击转速减小。当检测到K4按键被按下时，改变P1.0口到P1.3口的输出，使其输出的四个信号成为分别对应于控制步进电机四个状态的信号，每按下一次K4，坡度就会加1，步进电机顺时针转过一个微小的角度，当坡度达到4的时候，再次按下K4坡度则将归零，电机逆时针调整到最初的状态。

4. 结论

由于坡度调节较难实现，本次设计中则采用了步进电机来模拟对于坡度的调节。利用单片机，改变输出，可以使步进电机产生5个不同的相位，分别对应于坡度调节中的1～5档。采用目前最为常见的PWM调速方式来实现电机调速，模拟跑步机速度的调节。预先设计的多变挡调速在实物上只能实现三挡的调速，即停止、慢速、高速。因为电机本身需要一定的电压来进行驱动，而PWM调速范围有限，驱动电机的电压占据了相当一部分的脉冲宽度，因此没能实现多级调速。

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