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

I裝訂線電動(dòng)跑步機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)摘要近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對(duì)自身的健康也日益關(guān)注,健身成為一種流行時(shí)尚,健身器材行業(yè)也逐步興起為一個(gè)大的消費(fèi)領(lǐng)域,電動(dòng)跑步機(jī)作為一種重要的健身器材得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,具有廣闊的市場(chǎng)前景。研發(fā)具有多功能和高附加值的人性化科學(xué)化的電動(dòng)跑步機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。電動(dòng)跑步機(jī)的電控系統(tǒng)是整個(gè)跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心,它需要具有用戶接口界面功能、電機(jī)調(diào)速功能和其他附加功能。本論文以電動(dòng)跑步機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,以實(shí)用、舒適、高性價(jià)比、高可靠性和高安全性為目標(biāo),以單片機(jī)AT89C51為控制核心,完成了有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和總體軟件開(kāi)發(fā)等任務(wù)。從理論分析到軟硬件實(shí)現(xiàn),全面詳細(xì)的闡述了電動(dòng)跑步機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過(guò)程。本文首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行了初步選擇與論述，然后對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說(shuō)明。關(guān)鍵詞跑步機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)單片機(jī)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.2.1專業(yè)跑步機(jī).21.2.2家庭用小型跑步機(jī).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(jì).42.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).52.3.1系統(tǒng)控制器的選擇.52.3.2檢測(cè)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(jì).83.1控制單元電路設(shè)計(jì).83.1.1.AT89C51引腳特性.83.1.2.時(shí)鐘電路設(shè)計(jì).113.1.3.復(fù)位電路設(shè)計(jì).123.2信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì).143.3控制電路設(shè)計(jì).143.4外圍設(shè)備接口電路設(shè)計(jì).153.4.1.顯示器接口電路設(shè)計(jì).153.4.2.鍵盤接口電路設(shè)計(jì).16第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).174.1總體設(shè)計(jì)思想.174.1.1.系統(tǒng)工作原理.174.1.2.程序設(shè)計(jì)法的選擇.174.1.3.程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇.184.2主程序的設(shè)計(jì).194.3PWM控制子程序設(shè)計(jì).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(xiàn).36共36頁(yè)第1頁(yè)裝訂線第一章緒論1.1課題研究目的和意義隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)自身的健康也日益關(guān)注，從而更熱衷于參加各種體育運(yùn)動(dòng)。然而，在現(xiàn)代城市生活中，許多人特別是腦力勞動(dòng)者，從事體力勞動(dòng)和體育運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和空間都大為減少。據(jù)調(diào)查顯示，運(yùn)動(dòng)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(guó)衛(wèi)生署發(fā)表了體育運(yùn)動(dòng)與健康報(bào)告，大力倡導(dǎo)美國(guó)人從事健身運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化心肺功能訓(xùn)練，增強(qiáng)身體自然抵御力，進(jìn)而開(kāi)啟了有氧心肺健身器材產(chǎn)業(yè)的序幕。近年來(lái)，全球健身器材產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。據(jù)2006年中國(guó)健身器材行業(yè)研究報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2005年，全球健身器材市場(chǎng)銷售額已突破100億美元，同比增長(zhǎng)超過(guò)15%。目前，歐美國(guó)家仍是世界健身器材的主要消費(fèi)國(guó)家，其中美國(guó)是世界健身器材消費(fèi)的第一大國(guó)，約占全球的三分之二，且市場(chǎng)年增長(zhǎng)率超過(guò)10%；而美國(guó)以外的市場(chǎng)，規(guī)模雖不龐大，但市場(chǎng)年增長(zhǎng)率卻在20%以上，增長(zhǎng)勢(shì)頭良好。在我國(guó)，健身器材產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏世界知名品牌；而市場(chǎng)需求量卻增長(zhǎng)迅速，從而出現(xiàn)了世界健身器材巨頭(如美國(guó)愛(ài)康健身器材公司、美國(guó)諾德士集團(tuán)以及韓國(guó)秀健健身器材公司等)紛紛“搶灘”中國(guó)市場(chǎng)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(jī)、橢圓機(jī)、健身車、劃船機(jī)等)和重量訓(xùn)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(jī)，剛剛出現(xiàn)，就受到了人們的廣泛喜愛(ài)。一方面，它滿足了人們?cè)谑覂?nèi)進(jìn)行跑步鍛煉的需要，因?yàn)榕懿绞悄壳皣?guó)際流行并被醫(yī)學(xué)界和體育界給予高度評(píng)價(jià)并積極推薦的有氧健身運(yùn)動(dòng)，是保持一個(gè)人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式；另一方面，從科學(xué)的角度看，在跑步機(jī)上進(jìn)行的走或者跑，在動(dòng)作外形上幾乎與在地面上走或跑一樣，但是從人體實(shí)際用力看，它比在陸地上走或跑省去了蹬伸動(dòng)作，從而使得跑步者感覺(jué)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(xùn)練。2006年中國(guó)健身器材行業(yè)研究報(bào)告中指出，電動(dòng)跑步機(jī)是目前世界上銷量最大、進(jìn)入家庭最多的心肺功能鍛煉器。在健身活動(dòng)比較發(fā)達(dá)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(guó)的許多大中城市，跑步機(jī)等健身器材也開(kāi)始走進(jìn)家庭。在美國(guó)KEYS健身器材公司和青島英派斯健身集團(tuán)分別進(jìn)行的調(diào)查顯示，在被調(diào)查的人當(dāng)中，選擇跑步機(jī)進(jìn)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)均具有廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿Γ?6頁(yè)第2頁(yè)裝訂線而跑步機(jī)作為健身器材中的寵兒，其市場(chǎng)前景則更為廣闊。因此，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的跑步機(jī)產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)健身器材設(shè)計(jì)的耐用性以及所使用的場(chǎng)所不同，目前市場(chǎng)上的跑步機(jī)主要分為兩類:專業(yè)健身房用跑步機(jī)和家庭用小型跑步機(jī)。前者作單項(xiàng)訓(xùn)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(jià)格昂貴；后者的突出特點(diǎn)是所占空間小，重量輕，價(jià)格相對(duì)比較便宜，并且往往增加了如劃船運(yùn)動(dòng)、按摩等功能。對(duì)于不同用途的跑步機(jī)，其調(diào)速系統(tǒng)也有著較大差別:1.2.1專業(yè)跑步機(jī)直流有刷調(diào)速系統(tǒng)以其控制線路簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力較大和優(yōu)異的控制性能在各類跑步機(jī)產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外跑步機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍以有刷直流電機(jī)為主，采用直流電動(dòng)機(jī)不可逆PWM系統(tǒng)。此前，青島英派斯健身集團(tuán)開(kāi)發(fā)的一款DP220T健身房用跑步機(jī)就是采用了跑步機(jī)用有刷直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以集成PWM控制芯片SG3525A為核心，硬件電路實(shí)現(xiàn)的電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償控制的PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)。盡管有著控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但直流有刷電動(dòng)機(jī)由于存在電刷和換向器的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期運(yùn)行必然需要經(jīng)常維護(hù)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(jī)轉(zhuǎn)矩重量比的進(jìn)一步提高。使用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代直流有刷調(diào)速系統(tǒng)是目前研究的一個(gè)重要方向。一種方案是采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)本身比直流電動(dòng)機(jī)具有壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是為了獲得較寬的調(diào)速范圍(一般跑步機(jī)的調(diào)速比約為25:l)，需要采用較為復(fù)雜的矢量控制技術(shù)，電機(jī)的參數(shù)變化對(duì)其也有較大影響，目前用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成伺服系統(tǒng)的總成本比直流伺服系統(tǒng)要高。韓國(guó)秀健健身集團(tuán)曾推出使用高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)跑步機(jī)。另一種方案采用正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)，較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)，并采用非接觸式的電子換向結(jié)構(gòu)，在高檔跑步機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有較廣闊的發(fā)展前景。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在電動(dòng)跑步機(jī)上的應(yīng)用也是研究的一大熱點(diǎn)。一方面，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有有刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)；另方而，由于其采用電子換向裝置取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，從而又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較其它方案具有更高的性價(jià)比。而對(duì)于電動(dòng)跑步機(jī)系統(tǒng)，由于其要求較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所共36頁(yè)第3頁(yè)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(duì)于其具體的實(shí)現(xiàn)方案主要有兩種，一種是以無(wú)刷直流電機(jī)專用控制芯片為核心控制單元構(gòu)成無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。最具代表性的是MOTOROLA公司生產(chǎn)的第二代無(wú)刷電機(jī)控制專用芯片MC33035，它集成了譯碼、PWM生成、保護(hù)等無(wú)刷電機(jī)控制的諸多功能，組成的系統(tǒng)所需外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)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(wú)法使用較為復(fù)雜的算法。另一種方案是采用高性能的微控制芯片對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)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(jī)對(duì)于價(jià)格相對(duì)便宜的家庭用小型跑步機(jī)，主要是根據(jù)市場(chǎng)的實(shí)際需求，在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。因此，家庭用跑步機(jī)幾乎都采用的是直流有刷調(diào)速系統(tǒng)。例如，國(guó)內(nèi)某型號(hào)的跑步機(jī)，采用低價(jià)位的8位單片機(jī)AT89C2051為核心單元構(gòu)成了直流有刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)采用脈寬調(diào)制方式進(jìn)行