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毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的电动跑步机直流调速系统设计.doc

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毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的电动跑步机直流调速系统设计.doc

I┊┊┊┊┊┊装┊┊订┊┊线┊┊┊┊┊┊电动跑步机直流调速系统摘要近年来,随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,人们对自身的健康也日益关注,健身成为一种流行时尚,健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域,电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用,具有广阔的市场前景。研发具有多功能和高附加值的人性化科学化的电动跑步机具有重要的现实意义。电动跑步机的电控系统是整个跑步机运转的核心,它需要具有用户接口界面功能、电机调速功能和其他附加功能。本论文以电动跑步机直流调速系统为研究对象,以实用、舒适、高性价比、高可靠性和高安全性为目标,以单片机AT89C51为控制核心,完成了有刷直流电动机调速系统硬件设计和总体软件开发等任务。从理论分析到软硬件实现,全面详细的阐述了电动跑步机电控系统的设计全过程。本文首先对系统各个模块进行了初步选择与论述,然后对硬件和软件系统的设计做了详细的说明。关键词跑步机直流调速系统单片机II┊┊┊┊┊┊装┊┊订┊┊线┊┊┊┊┊┊DCelectrictreadmillspeedcontrolsystemAbstractInrecentyears,withsocioeconomicdevelopmentandpeopleslivingstandards,peoplesownhealthisalsoincreasinglyconcernedaboutthefitnesstobecomeapopularfashion,fitnessequipmentindustryisalsograduallyrisetoalargeconsumptionofelectrictreadmillasaimportantkindsoffitnessequipmenthavebeengrowingawiderangeofapplications,hasbroadmarketprospects.RDhasamultifunctionalandhighvalueaddedhumanelectrictreadmillscientificpracticalsignificance.Treadmillelectricmotorcontrolsystemisthecoreoftreadmillrunning,itneedstointerfacewiththeuserinterfacefunctions,motorfunctionsandotheradditionalfeatures.Inthispaper,aDCelectrictreadmillspeedcontrolsystemforthestudytopractical,comfortable,costeffective,highreliabilityandhighsecurityasthegoal,AT89C51singlechipmicrocomputertocontrolthecoreofthecompletionofabrushDCmotortransferspeedsystemhardwaredesignandsoftwaredevelopment,suchastheoveralltask.Fromthetheoreticalanalysistohardwareandsoftwaretoachieveacomprehensivedetailoftheelectricrunningcontrolsystemofmechanicalandelectricaldesignoftheentireprocess.Inthispaper,firstofall,eachmoduleofthesystemwithapreliminarydiscussion,andthenonthehardwareandsoftwaresystemdesignsuchadetaileddescription.KeywordstreadmillspeedcontrolsystemsinglechipcomputerI┊┊┊┊┊┊装┊┊订┊┊线┊┊┊┊┊┊目录第一章绪论........................................................11.1课题研究目的和意义...........................................11.2国内外研究现状...............................................21.2.1专业跑步机...............................................21.2.2家庭用小型跑步机.........................................31.3本文的主要内容...............................................3第二章系统总体方案设定............................................42.1系统组成.....................................................42.2系统控制方案设计.............................................42.3系统总体方案设计.............................................52.3.1系统控制器的选择.........................................52.3.2检测元件的选择...........................................52.3.3输入通道方案选择.........................................62.3.4外围接口设备的选择........................................6第三章系统硬件设计................................................83.1控制单元电路设计.............................................83.1.1.AT89C51引脚特性.........................................83.1.2.时钟电路设计............................................113.1.3.复位电路设计............................................123.2信号检测电路设计............................................143.3控制电路设计................................................143.4外围设备接口电路设计........................................153.4.1.显示器接口电路设计......................................153.4.2.键盘接口电路设计........................................16第四章系统软件设计...............................................174.1总体设计思想................................................174.1.1.系统工作原理............................................174.1.2.程序设计法的选择........................................174.1.3.程序设计语言的选择......................................184.2主程序的设计................................................194.3PWM控制子程序设计...........................................204.4数码管显示程序..............................................25II┊┊┊┊┊┊装┊┊订┊┊线┊┊┊┊┊┊第五章总结.......................................................34致谢..............................................................35参考文献..........................................................36共36页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章绪论1.1课题研究目的和意义随着经济的发展和人们生活水平的提高,人们对自身的健康也日益关注,从而更热衷于参加各种体育运动。然而,在现代城市生活中,许多人特别是脑力劳动者,从事体力劳动和体育运动的时间和空间都大为减少。据调查显示,运动量不足,成为许多人处于亚健康状态的重要原因之一。1996年,美国卫生署发表了体育运动与健康报告,大力倡导美国人从事健身运动,强化心肺功能训练,增强身体自然抵御力,进而开启了有氧心肺健身器材产业的序幕。近年来,全球健身器材产业迅猛发展。据2006年中国健身器材行业研究报告统计,2005年,全球健身器材市场销售额已突破100亿美元,同比增长超过15。目前,欧美国家仍是世界健身器材的主要消费国家,其中美国是世界健身器材消费的第一大国,约占全球的三分之二,且市场年增长率超过10而美国以外的市场,规模虽不庞大,但市场年增长率却在20以上,增长势头良好。在我国,健身器材产业起步较晚,缺乏世界知名品牌而市场需求量却增长迅速,从而出现了世界健身器材巨头如美国爱康健身器材公司、美国诺德士集团以及韩国秀健健身器材公司等纷纷抢滩中国市场的局面。目前,健身器材产业主要分为有氧健身器材如跑步机、椭圆机、健身车、划船机等和重量训练器材如仰卧起坐板、杠铃、哑铃等两大类。而作为一种重要的有氧健身器材的跑步机,刚刚出现,就受到了人们的广泛喜爱。一方面,它满足了人们在室内进行跑步锻炼的需要,因为跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价并积极推荐的有氧健身运动,是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式另一方面,从科学的角度看,在跑步机上进行的走或者跑,在动作外形上几乎与在地面上走或跑一样,但是从人体实际用力看,它比在陆地上走或跑省去了蹬伸动作,从而使得跑步者感觉十分轻松自如,并比在陆地上多跑1/3的路程,能量消耗也大于陆地训练。2006年中国健身器材行业研究报告中指出,电动跑步机是目前世界上销量最大、进入家庭最多的心肺功能锻炼器。在健身活动比较发达的欧美等地,各种健身器材已经成为许多家庭的必备品而在我国的许多大中城市,跑步机等健身器材也开始走进家庭。在美国KEYS健身器材公司和青岛英派斯健身集团分别进行的调查显示,在被调查的人当中,选择跑步机进行锻炼的人数分别占到了总人数的63和75。不难看出,健身器材产业在国内外市场均具有广阔的发展空间和发展潜力,共36页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊而跑步机作为健身器材中的宠儿,其市场前景则更为广阔。因此,开发性能优异的跑步机产品具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状根据健身器材设计的耐用性以及所使用的场所不同,目前市场上的跑步机主要分为两类专业健身房用跑步机和家庭用小型跑步机。前者作单项训练用一般仅有跑步功能,技术含量及配件品质较高,耐用性高,价格昂贵后者的突出特点是所占空间小,重量轻,价格相对比较便宜,并且往往增加了如划船运动、按摩等功能。对于不同用途的跑步机,其调速系统也有着较大差别1.2.1专业跑步机直流有刷调速系统以其控制线路简单、调速范围宽、过载能力较大和优异的控制性能在各类跑步机产品中得到了广泛的应用。目前,国内外跑步机用驱动电机仍以有刷直流电机为主,采用直流电动机不可逆PWM系统。此前,青岛英派斯健身集团开发的一款DP220T健身房用跑步机就是采用了跑步机用有刷直流电动机为驱动电机,以集成PWM控制芯片SG3525A为核心,硬件电路实现的电压负反馈、电流补偿控制的PWM闭环控制系统。尽管有着控制简单的优点,但直流有刷电动机由于存在电刷和换向器的机械换向结构,长期运行必然需要经常维护电刷和换向器,而且,山于损耗存在于转子上,使得散热困难、温升增加,限制了电机转矩重量比的进一步提高。使用交流伺服驱动系统取代直流有刷调速系统是目前研究的一个重要方向。一种方案是采用感应电动机作为驱动电机,感应电动机本身比直流电动机具有寿命长、免维护等优点,但是为了获得较宽的调速范围一般跑步机的调速比约为25l,需要采用较为复杂的矢量控制技术,电机的参数变化对其也有较大影响,目前用感应电动机构成伺服系统的总成本比直流伺服系统要高。韩国秀健健身集团曾推出使用高性能交流伺服驱动系统的电动跑步机。另一种方案采用正弦波驱动的永磁同步电机驱动系统,利用磁场定向矢量控制技术,较感应电动机易于实现,并采用非接触式的电子换向结构,在高档跑步机的应用领域具有较广阔的发展前景。而无刷直流电动机调速系统在电动跑步机上的应用也是研究的一大热点。一方面,无刷直流电动机具有有刷直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点另方而,由于其采用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向结构,从而又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。因此,采用无刷直流电动机调速系统较其它方案具有更高的性价比。而对于电动跑步机系统,由于其要求较大的起动转矩,所共36页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊以,采用带位置传感器的PWM调速系统是性能较好的方案。对于其具体的实现方案主要有两种,一种是以无刷直流电机专用控制芯片为核心控制单元构成无刷电动机调速系统。最具代表性的是MOTOROLA公司生产的第二代无刷电机控制专用芯片MC33035,它集成了译码、PWM生成、保护等无刷电机控制的诸多功能,组成的系统所需外围电路结构简单,运行可靠,可与同系列芯片MC33039配合构成速度闭环控制,具有较好的调速性能,其不足之处在于调速式单一,无法使用较为复杂的算法。另一种方案是采用高性能的微控制芯片对无刷电机进行控制,控制方式灵活,调速系统具有更高的性能。1.2.2家庭用小型跑步机对于价格相对便宜的家庭用小型跑步机,主要是根据市场的实际需求,在保证技术指标的前提下,尽量考虑设计的经济性和实用性。因此,家庭用跑步机几乎都采用的是直流有刷调速系统。例如,国内某型号的跑步机,采用低价位的8位单片机AT89C2051为核心单元构成了直流有刷电机调速系统,电机采用脉宽调制方式进行调速,通过软件编程改变控制算法,增加了控制的灵活性,具有较高的性价比。1.3本文的主要内容电动跑步机用直流电动机需要高效率、高功率密度、大输出转矩和宽调速范围。对于这样的驱动性能要求,应从系统的角度对控制方法和电机系统进行综合设计。本文着重于对电动跑步机用直流电动机调速系统进行分析和设计,为直流电动机调速系统在电动跑步机中的应用提供基础。基于这一基本思想,本文主要设计系统结构、和控制方法,并在此基础上以C51单片机为控制核心,设计直流电动机数字化闭环调速系统,包括系统软、硬件的设计。

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