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1、 基于單片機(jī)的跑步機(jī)啟/?？刂颇K的軟件設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專 業(yè) 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 2016年 04月 II 摘 要 近年來，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)

2、是整個(gè)跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，它需要具有簡(jiǎn)單接口界面、電機(jī)調(diào)速和心率功能。本論文以電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)為對(duì)象，以實(shí)用、廉價(jià)、高性價(jià)比和高安全性為目標(biāo)，以改進(jìn)型51系類單片機(jī)STC89C52為控制核心，完成了無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、電動(dòng)跑步機(jī)手握式紅外心率計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)和電控系統(tǒng)部分軟件開發(fā)等任務(wù)。 首先，文章敘述了跑步機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其調(diào)速原理和調(diào)速方法進(jìn)行了理論分析，建立了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靜態(tài)模型，并實(shí)際分析跑步機(jī)特殊負(fù)載的性質(zhì)，確保跑步機(jī)的安全性和舒適性。并依據(jù)此基本控制策略，對(duì)電動(dòng)跑步機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)并畫出相應(yīng)的電路原理圖。其次，文

3、章介紹了電動(dòng)跑步機(jī)附加的電子心率計(jì)的軟硬件開發(fā)。最后，開發(fā)部分系統(tǒng)軟件。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)跑步機(jī)；數(shù)碼管； 控制系統(tǒng) Abstract In recent years, with the development of social economy and people living standard rise, people is increasingly concerned on their health, fitness has become a popular fashion, fitness equipment industry als

4、o gradually rise to a big consumption, electric treadmill as an important kind of fitness equipment has been more and more widely used, has a broad market prospect. R&d has multifunction and high value-added human scientific electric running machine has important practical significance. Electric tr

5、eadmill of electronic control system is the core of the treadmill running, it needs to have simple interfaces, motor speed and heart rate function. By electric treadmill control system as an object in this paper, with practical, cheap, high cost performance and high security as the goal, with the mo

6、dified 51 series of single chip microcomputer AT89S51 as the core, to complete the brushless dc motor speed control system hardware design and running of electric tractor driver grip type infrared heart-rate monitor software and hardware design and electric control system part of the software develo

7、pment tasks. First of all, the article describes the basic structure and working principle of BLDCM, the speed control principle and control method are analyzed in theory, established the speed and current feedback control of dynamic and static model of dc speed regulating system, and the actual an

8、alysis of the nature of the special load running machine, to ensure the safety and comfort of running machine. According to the basic control strategy of electric treadmill brushless dc motor speed control system for the hardware implementation and draw the corresponding circuit principle diagram. S

9、econdly, this paper introduces the electric treadmill additional electronic heart-rate monitor hardware and software development. Finally, part of the system software development. Keywords： electric treadmill; digital control system; control system 第1章 緒論 1.1 課題研究背景、目的及意義 首先了解一下跑步機(jī)的發(fā)展歷

10、史，跑步機(jī)是家庭及健身房常備的器材，而且是當(dāng)今家庭健身器材中最簡(jiǎn)單的一種，是家庭健身器的最佳選擇。世界上第一臺(tái)跑步機(jī)誕生于1875年，發(fā)明人是美國(guó)東部農(nóng)村的一位機(jī)械師[1]。這臺(tái)機(jī)器其實(shí)是一臺(tái)便攜式農(nóng)機(jī)設(shè)備，以牲畜作為動(dòng)力來源。1866年，紐約州通過了美國(guó)第一部禁止虐待動(dòng)物的法律，用鞭子打牲口被視為非法行為?！懊绹?guó)反對(duì)虐待動(dòng)物組織”指責(zé)那些爬樓式的動(dòng)力裝置傷害了動(dòng)物的膝關(guān)節(jié)，給動(dòng)物造成了心理壓力。于是有人發(fā)明了水平跑步機(jī)，其傳送帶和地面平行，動(dòng)物走在上面就像平時(shí)散步一樣自然[1]。現(xiàn)代意義上的跑步機(jī)從80年代流行至今已發(fā)展到第四代產(chǎn)品第一代產(chǎn)品機(jī)械跑步機(jī)，是用圓形滾筒組合排列而成的跑臺(tái)，在兩個(gè)

11、滾筒中間加裝塑膠跑帶及跑板，主要運(yùn)動(dòng)方式是依靠跑步者腳與跑步帶的摩擦力帶動(dòng)來運(yùn)行從而達(dá)到跑步及走步的效果。第二代跑步機(jī)模擬電動(dòng)跑步機(jī)，是在原有第一代的基礎(chǔ)上增加電機(jī)傳動(dòng)裝置和升降裝置，以及一些電腦控制程序和傳感器，通過傳感器傳輸和接收馬達(dá)的工作信號(hào)，用電腦控制程序達(dá)到調(diào)節(jié)跑步機(jī)速度、坡度、距離等功能，第三代跑步機(jī)數(shù)字跑步機(jī)，在原有第二代跑步機(jī)的基礎(chǔ)上去除了傳感器，以單片機(jī)的數(shù)據(jù)控制馬達(dá)的工作狀態(tài)，不會(huì)受到外界的干擾，從而使跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定、更安全。第四代跑步機(jī)是采用的數(shù)字變頻技術(shù)，采用HK變頻調(diào)速器和交流馬達(dá)組成跑步機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)結(jié)構(gòu)中沒有碳刷，所以終生不需要維護(hù)，所以第四代變頻跑

12、步機(jī)具有更安全、更耐用、更安靜、更節(jié)能、更穩(wěn)定5大優(yōu)點(diǎn)使跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)在真正意義上超越了傳統(tǒng)室外跑步運(yùn)動(dòng)。對(duì)于第三代跑步機(jī)而言數(shù)字跑步機(jī)是由第二代模擬電動(dòng)跑步機(jī)發(fā)展而來，和模擬電動(dòng)跑步機(jī)的主要區(qū)別在于它是由數(shù)字信號(hào)控制的。模擬數(shù)據(jù)(Analog Data)是由傳感器采集得到的連續(xù)變化的值，例如溫度、壓力、心率，以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(Digital Data)則是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值，例如在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)。模擬信號(hào)跑步機(jī)是通過傳感器傳輸和接收馬達(dá)的工作信號(hào)，其隨時(shí)間、溫度、信號(hào)強(qiáng)弱等因素，可能導(dǎo)致馬達(dá)工作不穩(wěn)定。而數(shù)

13、字跑步機(jī)則是以單片機(jī)的數(shù)據(jù)控制馬達(dá)的工作狀態(tài)，其不會(huì)受到外部因素的干擾，從而使跑步機(jī)更穩(wěn)定，更安全。第二代跑步機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速都是各種型號(hào)的傳感器控制的，均為模擬信號(hào)。而第三代跑步機(jī)是用單片機(jī)控制，系為數(shù)字信號(hào)[1]。 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在跑步機(jī)中的明顯區(qū)別： (1) 模擬信號(hào)跑步機(jī)的最低速度為0.8km／h以上，而數(shù)字信號(hào)跑步機(jī)的最低速度可制定在0.3km／h以下，且輸出大扭力。 (2) 模擬信號(hào)跑步機(jī)的馬達(dá)上都有個(gè)明顯的傳感器，數(shù)字信號(hào)跑步機(jī)則沒有。 (3) 模擬信號(hào)跑步機(jī)控制電源上有大大小小的電位器，數(shù)字信號(hào)跑步機(jī)則沒有。 (4) 數(shù)字信號(hào)跑步機(jī)在按停止鍵時(shí)，使用者在沒有感覺的狀態(tài)

14、下停止運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)如急剎車時(shí)的眩暈感覺[2]。 所以基于單片機(jī)的第三代跑步機(jī)具有很大優(yōu)點(diǎn)。 生命在于運(yùn)動(dòng)，健康源于運(yùn)動(dòng)。跑步是目前非常流行的一種有氧健身運(yùn)動(dòng)，它在醫(yī)學(xué)界和體育界享有高度評(píng)價(jià)，它是保持一個(gè)人身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式。跑步機(jī)是家庭及健身房常備的器材，而且是當(dāng)今家庭健身器材中最簡(jiǎn)單的一種，是家庭健身器的最佳選擇。專家們相信未來跑步機(jī)市場(chǎng)將以高價(jià)位產(chǎn)品為主導(dǎo)。低價(jià)位產(chǎn)品銷售不錯(cuò)，近幾年價(jià)格已有上升趨勢(shì)。注重生活時(shí)尚的消費(fèi)者認(rèn)為跑步機(jī)價(jià)格在萬元以上是理所當(dāng)然的事。這些跡象表明，未來跑步機(jī)仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。此次設(shè)計(jì)的任務(wù)為電動(dòng)跑步機(jī)的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)包括調(diào)速、控制、安全、心率測(cè)量等

15、，設(shè)計(jì)中參考了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有精確計(jì)算，而且設(shè)計(jì)中可以根據(jù)測(cè)出的心率來智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，利用人機(jī)學(xué)原理，使設(shè)計(jì)更為人性化。由于跑步機(jī)的特殊性，安全問題更值關(guān)注，如何正確使用跑步機(jī)，和跑步機(jī)的保養(yǎng)同樣重要[3]。 針對(duì)跑步機(jī)的控制系統(tǒng)來言，無刷直流電動(dòng)機(jī)使用電子換向取代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向。無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅擁有直流電機(jī)好的調(diào)速范圍性能和高效率的優(yōu)點(diǎn)，還具有交流電機(jī)維護(hù)方便、可靠操作的長(zhǎng)處。此外，BLDCM不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，有容量小和功率密度大的特點(diǎn)。電動(dòng)跑步機(jī)采用BLDCM作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，有價(jià)格低廉、機(jī)械噪聲小、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、便于維護(hù)、跑步帶調(diào)速范圍廣和速度波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)[4]。

16、1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 跑步機(jī)屬于健康器材類產(chǎn)品，由于跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須滿足各種體重的人來使用。一般使用跑步機(jī)的目的有兩種：健身和減肥瘦身；如果是減肥瘦身的人來使用，因?yàn)樯眢w較肥胖，跑不快，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速必須轉(zhuǎn)矩大才能使用。相反的，健身的人跑步快，但是重量輕，因此高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求較??；跑步機(jī)必須滿足家庭成員每一個(gè)人都能使用，因此調(diào)速范圍要寬廣，低速轉(zhuǎn)矩要大，才能滿足不同重量的人。目前跑步機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)裝置以直流有刷電機(jī)為多，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。跑步機(jī)雙面寬厚的跑帶讓人有草坪般舒適感覺，馬力強(qiáng)勁的電機(jī)帶來恒久的動(dòng)力，靈敏的控制器配合芯片讓人在跑步過程中隨心所欲，堅(jiān)固的鋼架以及防護(hù)裝置使

17、人的安全盡在掌握。電跑使人們?cè)诜泵Φ墓ぷ髦嗳匀豢梢员M享運(yùn)動(dòng)的樂趣[5]。 未來人口越來越多的集中在城市，在有限的空間進(jìn)行鍛煉成為了城市居民的不二選擇。通過上網(wǎng)了解可知，在跑步機(jī)控制系統(tǒng)方面，目前國(guó)內(nèi)外中低市場(chǎng)大都采用直流有刷電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)跑步機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這些電機(jī)的功率在1.5馬力到2.0馬力之間，同時(shí)適用于脈寬調(diào)制技術(shù)。他們有一下一些問題：大機(jī)械噪聲、持續(xù)工作時(shí)間短、高維護(hù)費(fèi)用、短壽命。在高端市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)大都采用交流電機(jī)，大多說功率在3.0左右，且適用于矢量控制變頻技術(shù)，其中一些提升電機(jī)10%的功率，范圍改變?cè)?%到15%。當(dāng)然這種系統(tǒng)性能高，而高花費(fèi)卻限制了它的市場(chǎng)[6，7]。 另外

18、由于價(jià)格和性能的互相限制，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于控制系統(tǒng)沒有實(shí)質(zhì)性的突破進(jìn)展時(shí)，一般都朝著智能化方向發(fā)展，跑步機(jī)同時(shí)混同各種功能于一體。 接下來介紹幾種常采用的單片機(jī)： 采用ATMEL公司的ATmega32或者ATmega128作為跑步機(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(chǔ)器，有豐富的管腳資源，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，具有在系統(tǒng)編程功能，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及程序的升級(jí)和維護(hù)提供了極大方便[8，9]。 國(guó)外多采用低價(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)行調(diào)速，通過軟件編程改變控制算法，增加了控制的靈活性，具有較高的性價(jià)比[10，1

19、1]。 再介紹一下跑步機(jī)重要組成部分無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程： 有刷直流電動(dòng)機(jī)作為最早的電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)帶來生機(jī)。1955年，美國(guó)人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電

20、動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相裝置，出現(xiàn)了磁電耦合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測(cè)電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動(dòng)機(jī)。80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無刷直流電機(jī)先后研究成功?！盁o刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)?，F(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便(可無級(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(

21、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場(chǎng)合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等。由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國(guó)際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢(shì)。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換[12]。所以電動(dòng)跑步機(jī)使用無刷直流電動(dòng)機(jī)十分適合。 1.3 系統(tǒng)框圖 初始化51單片機(jī)系統(tǒng) 是否第一次按下按鍵 啟?？刂瓢存I是否被按下 是否第一次按下按鍵 啟動(dòng)軟件延時(shí)

22、是否還處于按下狀態(tài) 長(zhǎng)按鍵處理 短按鍵處理 啟動(dòng)定時(shí)器延時(shí) 速度控制按鍵是否被按下 是否還處于按下狀態(tài) 長(zhǎng)按鍵處理 短按鍵處理 圖1-1系統(tǒng)框圖 第2章 硬件電路設(shè)計(jì) 2.1 主電源電路 跑步機(jī)驅(qū)動(dòng)采用無刷直流電動(dòng)機(jī)，所以主電源的任務(wù)是得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓，以此作為電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的輸入電壓。為了得到+5V的電源，采用了全波整流電路，結(jié)合7805三端穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電路，已確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行。在電源的輸出端，并聯(lián)了電解電容和瓷片電容，電解電容用來濾掉大部分的電壓紋波以保證電壓穩(wěn)定，瓷片電容則用

23、來濾掉高頻干擾。大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。 圖3-1 主電源 2.2 STC89C52單片機(jī)及相關(guān)電路 2.2.1 STC89C52單片機(jī)概述 STC89C52的封裝圖如下圖3.2.1.1所示，它是DIP40形式，有雙列的豎直插入式的封裝。外殼是塑料的材料做的，STC89C52作為本系統(tǒng)的核心控制元件，其管腳圖如圖3.1.1.2所示。 圖3.1.1.1 STC89C52封裝圖 圖3.1.1.2 STC89C52引腳圖 （1）VCC：40腳，電源供電接口，接+5V。 （2）VSS：20腳，接電源地。 （3）P0口：32～39

24、腳，P0口是一組I/O輸入輸出口，特點(diǎn)是它的漏極開路狀態(tài)的，如果對(duì)P0端口寫的電平為高電平“1”時(shí)，引腳作為高阻抗輸入狀態(tài)。也可以作為一組輸出端口。若端口訪問外部程序或者查詢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以把它當(dāng)做成低8位的地址/數(shù)據(jù)，復(fù)用利用，也就是所謂的信道復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上電阻。但是P0口在進(jìn)行程序校驗(yàn)并作為輸出指令字節(jié)時(shí)，這是需要在外部加上拉電阻，一般選4.7K～10K的排阻作為上拉電阻。本設(shè)計(jì)中P0口用了10K的排阻。 （4）P1口：1～8腳，由于P1口內(nèi)部本身具有上拉電阻，P1口的緩沖器能夠接收輸出的4個(gè)TTL電平電流。如果P1端口寫入高電平“1”，那么P1口電平被拉高

25、，就可以作為輸入口來使用。 （5）P2口：21～28腳，P3口：10～17腳。與P1口的特征一致。 （6）RESET：第9腳，作為單片機(jī)的一個(gè)復(fù)位輸入端口。倘若作為振蕩器的復(fù)位器件時(shí)，RST引腳會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的機(jī)器周期的高電平，回到最開始，這時(shí)就可以復(fù)位了。 （7）ALE/P：30腳，當(dāng)IO口讀取外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，地址會(huì)鎖定然后存儲(chǔ)所允許的輸出電平值，然后鎖定并存儲(chǔ)地址的那位字節(jié)。用FLASH編程的時(shí)候，輸入編程的脈沖信號(hào)就是在這個(gè)引腳可以體現(xiàn)作用的。在一般的情況下，ALE端會(huì)輸出以不變的周期的頻率，因?yàn)檫@個(gè)頻率將會(huì)是振蕩器頻率的1/6的一個(gè)正脈沖信號(hào)，因此它可用來檢測(cè)系統(tǒng)是否正常

26、工作。 （8）PSEN：29腳，用于選擇外部存儲(chǔ)器的信號(hào)入口。 （9）XTAL1：19腳，可以輸入振蕩器的反相放大器和發(fā)生內(nèi)部時(shí)鐘的電路。如果要接外部時(shí)鐘源，就從XTAL1輸入。 （10）XTAL2：18腳，作為振蕩器的反相放大器的輸出端口。如接外部時(shí)鐘源，則XTAL2懸空。 單片機(jī)在系統(tǒng)中作為主控芯片對(duì)外部電路采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出PWM信號(hào)給L298，然后通過L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的自動(dòng)控制效果。 2.2.2 晶振電路 晶振的全名叫做石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器可以用來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率。用晶振的基

27、準(zhǔn)頻率來保正系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的準(zhǔn)確頻率。 圖3.2.2所示是單片機(jī)的晶體振蕩電路圖。這是一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，CPU在這個(gè)時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行所有操作。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率和晶振的頻率是非常接近的，一般在1.2MHz到24MHz左右。C1、C2作為反饋電容，它的值一般在10pF～60pF之間選取，其經(jīng)典值為30pF。本電路選用30pF的瓷片電容，晶振選用12MHz的。XTAL1、 XTAL2分別接晶振的兩個(gè)引腳，然后分別對(duì)地接一個(gè)30pF的瓷片電容。在石英晶體的兩根管腳上加交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械變形、機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生交變電場(chǎng)，被稱為壓電效應(yīng)。在正常的時(shí)候，無論是機(jī)械的振動(dòng)，還是交變電場(chǎng)的變化，

28、振幅都是非常小的。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率在一定的值時(shí)，振幅會(huì)急劇增加變化，產(chǎn)生共振，被稱為壓電振蕩。這種特殊的頻率是石英晶體所固有的頻率，也就稱為共振頻率。晶振起振后在XTAL2引腳上，會(huì)輸出約3 V的正弦波，通常情況下，該振蕩器時(shí)鐘頻率為0.5 MHz—16 MHz之間其中12 MHz和11.0592 MHz是典型的值，我們需要特別注意。電容C1和C2可以幫助起振，我們微調(diào)C1,C2的值就可以調(diào)節(jié)頻率了。 圖3.2.2石英晶體振電路仿真圖 2.2.3 復(fù)位電路 復(fù)位電路的主要功能是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，在初始化的過程中需要在復(fù)位引腳上加上兩個(gè)或者兩個(gè)以上機(jī)器周期的高電平。單片機(jī)復(fù)位之

29、后，地址初始化為0000H，然后會(huì)繼續(xù)從0000H這個(gè)值開始同時(shí)啟動(dòng)程序并執(zhí)行下去。在復(fù)位電路中為了可靠的復(fù)位，加入了10uF的電解電容，由于電容充電的原因復(fù)位引腳上高電平持續(xù)的時(shí)間延長(zhǎng)，以防止在這過程中案件引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。如圖3.2.3所示。 圖3.2.3 復(fù)位電路圖 2.2.4 時(shí)鐘電路 DS1302是美國(guó)的DALLAS公司發(fā)表和推行的，它的高性能，低功耗被大多數(shù)電子生產(chǎn)商喜愛，它的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以對(duì)時(shí)，分，秒計(jì)時(shí)，同時(shí)還是萬年歷的核心，有補(bǔ)償閏年的作用，工作電壓范圍約在2.5V?5.5V左右。三線接口與CPU的同步通信，如圖3.3.1，VCC1作為備用電源，VCC2作為

30、主電力供應(yīng)。即使在主電源關(guān)閉的時(shí)候，VCC1可以作為備用的電源，它能夠維持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行，不會(huì)造成時(shí)間的混亂和重置。DS1302的供電由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電；當(dāng)VCC2>VCC1＋0.2V時(shí)，VCC2給DS1302供電；當(dāng)VCC2

31、2.5 DS1302時(shí)鐘程序設(shè)計(jì) DS1302時(shí)鐘芯片與單片機(jī)通信采用的是串行接口。DS1302內(nèi)部設(shè)置有12個(gè)通用寄存器，其中的7個(gè)是以BCD碼的方式來儲(chǔ)存時(shí)鐘信息和日歷，通過讀取這些寄存器的數(shù)據(jù)，可以獲得相關(guān)信息。由于DS1302具有掉電模式，因而不用擔(dān)心反復(fù)調(diào)時(shí)間的問題。其讀寫操作流程如圖4.3所示。 DS1302時(shí)鐘程序框圖 2.3速度控制和停啟電路 2.4速度顯示電路 數(shù)碼管顯示電路 第3章 軟件設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)初始化 主要包括I/O口初始化、內(nèi)部RAM初始化、定時(shí)器初始化、PWM輸出程序、A/D轉(zhuǎn)換等。 3.2 I/O口初始化、定時(shí)器初始化 定時(shí)器

32、0和定時(shí)器1定時(shí)常數(shù)的確定以及初始化代碼略作介紹。此處只介紹用于PWM信號(hào)產(chǎn)生的定時(shí)器1的初始化。 通過對(duì)初始化定時(shí)器l的相關(guān)寄存器的編程，可以在P2引腳產(chǎn)生控制電動(dòng)機(jī)的兩路PWM信號(hào)輸出。之所以選擇定時(shí)器1產(chǎn)生PWM信號(hào)，是因?yàn)樗?6位定時(shí)器，而定時(shí)器0和定時(shí)器2為8位定時(shí)器。定時(shí)器1產(chǎn)生的PWM信號(hào)比其他定時(shí)器產(chǎn)生的PWM信號(hào)精度更高，從而使電動(dòng)機(jī)的速度控制更加精確。 PWM信號(hào)最高在20Hz左右，所以將PWM周期寄存器的周期設(shè)置為6000。 那么PWM計(jì)算公式如下： 定時(shí)器初始化程序： 根據(jù)以上信息的提示，我們可以歸納出寄存器操作的步驟： （1）使能相應(yīng)的定時(shí)器

33、時(shí)鐘線。 （2）配置tim1四路PWM輸出引腳為復(fù)用功能輸出。 （3）配置tim1的分頻比和計(jì)數(shù)裝載值。 （4）配置相應(yīng)通道的PWM輸出模式和使能預(yù)裝載。 （5）打開自動(dòng)重裝載預(yù)裝載允許位。 （6）根據(jù)需要選擇向上或者是向下計(jì)數(shù)模式。 （7）打開相應(yīng)通道的輸出使能。 （8）配置各通道的占空比。 （9）開啟OC和OCN。 （10）最后使能定時(shí)器1。 參考文獻(xiàn) [1]跑步機(jī)發(fā)展史 http：// [2]山東大學(xué)韓修恒.智能跑步機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，2007 [3]宋杰、歸明.山東省城市社區(qū)健身器材使用現(xiàn)狀分析[J].體育學(xué)報(bào)，2002 [4]國(guó)外健身器材的發(fā)展趨勢(shì)

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38、x90}; //字符編碼 sbit SEKey = P1 ^ 0; //啟動(dòng)、暫停和停止按鍵 sbit INCKey = P1 ^ 4; //速度增加鍵 sbit DECKey = P1 ^ 7; //速度減少鍵 sbit pauseLED = P3 ^ 0; //暫停指示燈 sbit stopLED = P3 ^ 7; //停止指示燈 bit keyFlg; //按鍵長(zhǎng)按、短按標(biāo)志位 0為短按 1為長(zhǎng)按 unsigned char TimeCounter; //計(jì)數(shù)專用 unsigned char K

39、eyDownFlg,set; //按鍵專用 unsigned char yansi,key,send,unitsdData,tensdData,num,keynum; bit keybz; //延時(shí)函數(shù) void delay(unsigned char time) { unsigned char x,y; for(x=time;x>0;x--) { for(y=110;y>0;y--); } } //掃描啟動(dòng)、停止、暫停按鍵 void StartAndStopKeyScan() { if(SEKey == 0) //鍵被

40、按下 { KeyDownFlg = 1; //置鍵按下標(biāo)志位 TR0 = 1; //啟動(dòng)定時(shí)器 } if((SEKey == 1) && (KeyDownFlg == 1)) //判斷設(shè)置鍵是否松開 { KeyDownFlg = 0; //清除鍵標(biāo)志位 if(keyFlg == 0) //如果是短按 { stopLED = 1; pauseLED =~pauseLED; } TR0 = 0; //關(guān)閉定時(shí)器 TimeCounter = 0;

41、 //計(jì)數(shù)器清零 keyFlg = 0; //清除短按、長(zhǎng)按標(biāo)志位 } } void SegDisplay(unsigned char tensdData,unsigned char unitsdData) { P0 = SEGtable[tensdData]; delay(10); P2 = SEGtable[unitsdData]; delay(10); } void keyscan1() //具有連加功能的的按鍵掃描程序 { if(INCKey==0) //判斷INCKey鍵是否按

42、下? { SegDisplay(tensdData,unitsdData); //延時(shí)去抖動(dòng) if(INCKey==0) //如果真接下就去執(zhí)行鍵盤程序 { if(keybz==0) //判斷是否是第一次按下? { num++; //值加一 if(num==100) //判斷是否加到100 {num=0;}//加到100清0 keybz=1; //第一次進(jìn)來置標(biāo)志位 key--; //按鍵次數(shù)計(jì)數(shù)器 keynum=5

43、; //快加按鍵次數(shù)計(jì)數(shù)器 tensdData=num/10; //BCD碼轉(zhuǎn)為十進(jìn)制值 unitsdData=num%10; return; //不用檢測(cè)松手直接返回 } else //如果是第二次按下則執(zhí)行下面的語句 { if(key==0) //判斷按鍵次數(shù)到100次了嗎? { if(keynum==0) //檢測(cè)按下時(shí)間是否超過加5次的時(shí)間 { key=10; //如果按鍵持續(xù)時(shí)間

44、超過加5次的時(shí)間則以后每10次執(zhí)行加工廠操作 num++; if(num==99) { num=0; } tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; } else //沒有到5次時(shí)間則執(zhí)行下面的語句 keynum--; //快加計(jì)數(shù)器減一 key=100; num++;

45、 if(num==99) { num=0; } tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; } else //沒有到100次下次再來判斷. key--; return; } } if(INCKey!=0) //松手后所有的計(jì)數(shù)器清并置默認(rèn)值

46、 { keynum=5; key=30; keybz=0; return; //返回 } } /*************************以下是減一鍵處理程序,執(zhí)行效果同加一程序*******************************************************************/ if(DECKey==0) { SegDisplay(tensdData,unitsdData); if(DECKey==0) {

47、 if(keybz==0) { num--; if(num==-1) {num=99;} keybz=1; key--; keynum=5; tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; } else { if(key==0) { if(keynum==0) { key

48、=10; num--; if(num==0) { num=99; } tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; } else keynum--; key=100; num--; if(num==0) { num=99;

49、 } tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; } else key--; return; } } } if(DECKey!=0) { keynum=5; key=30; keybz=0; return; } } void Timer0Interrupt(void)

50、interrupt 1 { TimeCounter++; if(TimeCounter==250) //定時(shí)時(shí)間到 { keyFlg = 1; //置長(zhǎng)按標(biāo)志位 pauseLED = 1; stopLED = ~stopLED; //取反 TR0=0; //關(guān)閉定時(shí)器 } TH0 = 0xd8; TL0 = 0xf0; //定時(shí)器重新賦初值 } //主函數(shù) void main(void) { EA = 1; TMOD = 0x01; TH0 = 0xd8

51、; //10ms TL0 = 0xf0; ET0 = 1; //設(shè)置定時(shí)器1 unitsdData=0; tensdData=0; P1=0xff; P2=0; key=100; SegDisplay(0,9); while(1) { StartAndStopKeyScan(); //調(diào)用按鍵掃描子程序 keyscan1(); SegDisplay(tensdData,unitsdData); } } 致 謝 通過幾周的努力，這次設(shè)計(jì)順利完成了，并最終定稿，看著自己的勞動(dòng)結(jié)晶，內(nèi)

52、心充滿了感激，在此我要感謝我的指導(dǎo)老師楊霞老師對(duì)我的悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，楊老師在百忙之中還擠出休息時(shí)間給我用電子郵件和語音通話的方式為我指點(diǎn)迷津，為我耐心講解，給我提供大量的資料和教我查閱資料的便捷方法，還經(jīng)常為我提供各方面的幫助，為我排憂解難。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中許多同學(xué)也為我加油、鼓勁，也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以，在此，我向各位老師及同學(xué)們表示我最衷心的感謝！同時(shí)，我也感謝我的所有任課老師，是他們把我?guī)肓穗娮訉W(xué)科學(xué)殿堂。 在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不很好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 我會(huì)帶著這份求學(xué)精神，帶著老師和同學(xué)們寄予我的厚望，好好地把握機(jī)會(huì)，在以后的生活、工作崗位上發(fā)揮自己最大的優(yōu)勢(shì)。