一种基于单片机的发电跑步机系统设计(毕业论文).docx

西安邮电大学 毕业设计（论文）题目： 一种基于单片机的发电跑步机系统设计 学院： 自动化学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 电气1303班 学生姓名： 学号： 导师姓名： 职称： 教授 起止时间：2016年12月5日至2017年6月10日毕业设计（论文）声明书本人所提交的毕业论文基于单片机的发电跑步机系统设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全理解西安邮电大学本科毕业设计（论文）管理办法的各项规定并自愿遵守。本人深知本声明书的法律责任，违规后果由本人承担。论文作者签名：日期： 年 月 日西安邮电大学本科毕业设计(论文)选题审批表申报人罗祖军职称教授学院自动化题目名称一种基于单片机的发电跑步机系统设计题目来源科研教学其它题目类型硬件设计软件设计论文艺术作品题目性质应用研究理论研究题目简述 现代人们的生活中，跑步机是室内运动最常见最简单的健身器械，所以设计一种实用、舒适、节能型的跑步机控制装置对提高人们的运动质量和锻炼效果具有很大的现实意义。本设计实现在使用跑步机时所需的电能由跑步机发电提供，并具备简单的声控功能，无需手动操作即控制跑步机及环境状况（音乐、温湿度等）提高运动中的愉悦度，本部分主要实现计步等数据采集功能，装置在运动中并可实现自发电，以供给其它单元使用。对学生知识与能力要求 掌握计算机控制技术、单片机应用，具备小型硬件系统开发能力。 具体任务以及预期目标 使用单片机和其他专业知识完成如下内容： 完成相关软硬件设计。 实现所设计的功能。 按学校要求的格式撰写、装订论文。 完成开题、中期报告及答辩，论文答辩。时间进度2016.12.5至2017.1.5查阅资料，完成开题报告的撰写并上传至毕设管理系统；2017.1.5至2017.4.24进行算法研究和程序设计；2017.4.25至2017.6.1完成软件调试和毕设论文撰写；2017.6.1至2017.6.10毕设答辩。系（教研室）主任签字2016年12月 9 日主管院长签字2016年12月 9 日西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告学生姓名刘源学号06134104专业班级电气1303指导教师 罗祖军题目一种基于单片机的发电跑步机系统设计选题目的（为什么选该课题） （1）本课题实用性强，做出来之后可以在生活中实际应用。 （2）采用单片机控制测速，测温湿度，并实现跑步机信息显示功能。 （3）学习基本理论在实践运用的初步经验，掌握单片机设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。 （4）本设计机构简单、性能可靠、价格低廉，并且能够满足设计要求。已学课程：单片机原理及应用A8051单片机的C语言开发自动控制原理B 高级语言程序设计传感器原理及应用数字控制系统设计掌握工具：硬件：万用表、电烙铁、电脑；资料累积：1李华. MCS- 51 系列单片机实用接口技术 2张洪润传感器应用技术300例上册软硬件条件：软件：Visual C+ 6.0 硬件：单片机STC89C52 DHT11温湿度传感器 要研究和解决的问题（做什么）如何实现电能的产生与整流稳压，并将电能合理存储在12V蓄电池中作为缓冲。需要解决单片机如何控制霍尔传感器测出电机齿轮转速，DHT11传感器测出温湿度信息并实现声光报警，最困难的是单片机程序算法的编写，如何精确精准的计算出转速并转换成KM/H的速度，准确的编写算法程序得到跑步路程、消耗卡路里、已跑步时间等数据，还有用户的人机交互界面，如何实现温湿度阀值与体重等信息的交互。工作思路和方案（怎么做）1）硬件设计 包括总体稳压电路设计，单片机与各传感器模块接口，单片机与电源接口，电源电路。 2）软件设计 单片机使用内部定时器和外部中断0来计算时间和电机转动速度，编写合理的显示方式在液晶屏上直观的循环显示各信息，编写浮点数转换算法精确的计算路程、卡路里等信息，温湿度报警设置IO口驱动蜂鸣器和LED指示灯来实现。 指导教师意见 签字： 2017 年 1 月 9 日西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名刘源性别男学号06134104专业班级 电气1303课题名称一种基于单片机的发电跑步机系统设计指导教师意见 评分（百分制）： 指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见 评分（百分制）： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见 评分（百分制）： 验收教师(签字)： 年 月 日答辩小组意见 评分（百分制）： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日评分比例指导教师评分 () 评阅教师评分 () 验收小组评分 () 答辩小组评分 ()学生总评成绩百分制成绩等级制成绩答辩委员会意见毕业论文(设计)最终成绩(等级)：学院答辩委员会主任(签字、学院盖章)： 年 月 日摘 要 本文将说明一种节能型的自发电式跑步机装置，人在其上运动时可以将自身跑步产生的机械能转化为电能储存以实现自发电。跑步时发出的电能经过整流桥及稳压芯片后同时给单片机及其他设备供电，使用DHT11温湿度传感器及LCD1602液晶显示屏，霍尔测速传感器等监测当前的温湿度等跑步信息，并带有可调节温湿度声光报警功能，从而为用户在运动过程中营造一个更舒适的氛围。 本设计相比较传统的健身设备更加的绿色环保，装置所需的电能都将由用户自身产生，更加的符合当前时代要求低碳、低污染的生活理念。关键词：跑步机；单片机；自发电；霍尔传感器ABSTRACT This article shall introduce a new type of energy saving device for the self-powered treadmill, when exercising, one can transform the mechanical energy generated during running into electrical energy, which is then saved and stored to realize self-powering. Electricity generated by running goes through a rectifier bridge, then a regulator chip to powering other devices. By using DHT11 wet temperature sensor and LCD1602 LCD panel, Hall speed sensor and etc., various information during running, such as the wet temperature can be monitored, along with a sound and visual alarm function to provide a better environment for users. Compared with the traditional treadmills, this design is more eco-friendly, electrical energy that the device required are self-generated, more in line with the modern living principle of low carbon emission and low pollution. Key words: Treadmill;MCU;self-powered;Hall sensor目 录第一章 绪 论11.1课题研究背景11.2课题研究现状11.2.1国内外研究现状11.2.2设计研究方向31.3课题研究内容3第二章 跑步机系统总体方案设计42.1发电装置方案设计42.2稳压芯片及稳压电路设计52.3系统流程图及工作原理7第三章 硬件部分83.1单片机与中断系统83.2 LCD1602液晶显示模块103.3 DHT11温湿度模块133.4霍尔效应传感器测速模块14第四章 软件部分174.1系统软件模块组成174.2软件模块化编程方法174.2.1显示模块编程 184.2.2数据处理模块编程184.2.3环境监测模块编程194.2.4声光报警模块编程204.3软件设计总流程图214.4系统仿真调试22第五章 总结245.1跑步机系统设计工作总结245.2产品化设计的改进245.3跑步机设计研究展望25结束语26致 谢27参考文献28附录A 原理图29附录B 实物图30附录C 源程序31一种基于单片机的发电跑步机系统设计第一章 绪 论1.1课题研究背景据最新科学研究表明，现代社会人类使用的电能主要来自于这些发电方式：包括水力发电、火力发电、原子能发电、风能发电、化学能（电池）及光能（光电池与太阳能电池等）。其中煤电占比73%、（水电14.6%、核电2.4%、气电2.3%、其他7.7%），可见当前大部分的电能都是通过火力发电产生的。 火力发电是指通过可燃物体在燃烧时产生大量热能，再通过机械活塞装置使热能转化为机械能继而转变为电能的一种发电方式。其除了发电效率高以外，有很多的缺点：首先，我国对于资源的需求在不断增加，火力发电却以一种不可再生的方式消耗能源，易造成由于资源匮乏而产生能源危机及生态上的严重破坏。其次由于发电后的大量燃烧物产生于空气中，虽经过过滤但依然会严重的污染环境，造成粉尘悬浮，产生PM2.5等污染物而形成雾霾，严重的危害了人类的健康生活。故火力发电随着科技的发展一定会慢慢的被摒弃。 另一方面，随着“养生”观念的不断渗透，越来越多人们逐渐认识到健康的主要性，开始注重饮食与空气环境，各类的健身器材销量也在不断增加。跑步机作为最重要的健身器材之一也不例外，据跑步机的市场调研表明，从销售健身器材的效益上来看，无论是国内还是国外都有50%以上的金额消费于跑步机。跑步机的使用方向上大体可分为家用或商业。调研分析跑步机的发展历程曲线可以发现，需求量最大的是家用跑步机。其中美国跑步机年销量约为300万台，韩国为100万台，而中国作为拥有13亿人的人口大国，跑步机销量却只有约20万台，且跑步机的产量以每年超过25%的速度在不断增长，可见未来的跑步机市场一定会有可观的前景及巨大的经济利益。 现代的跑步机在运动中能够监测到运动者的跑步信息，比如运动的速度，路程与消耗的卡路里、温湿度等等，却鲜有可以智能控制温湿度的现代跑步机。自发电跑步机可以通过单片机来设置温湿度阀门，超出阀门设定的值后智能报警并驱动继电器控制当前的温湿度等，因此可以制造出一个更舒适的跑步氛围，故研究这种集节能环保，监测控制于一体的跑步机十分有必要。1.2课题研究现状1.2.1国内外研究现状 随着我国工业科技水平的进步与创新制造能力的不断发展，运动健身器材在潜移默化的影响着人类的健康。在大街上随处可见奔走于健身房，舞蹈班，瑜伽室等运动项目的人们。而健身的效果很大程度上取决于在于运动过程中是否有合理的规划及一个舒适的运动环境，在老年健身器材厂上随处可见机械式跑步机。 什么是机械式跑步机呢？“机械式跑步机”顾名思义即为在跑步过程中主要靠人力而运动，并不消耗电能。这种跑步结构简单不易出故障，但是它由于机械结构单一，人们是在主动的运动而并不是由于履带自身的运转被动跟随运动，且在跑步过程中并没有实时参数显示当前的跑步信息，不能很好的控制运动的量与力度，运动过程中就很容易产生疲劳感与厌倦情绪。图1.1 机械式跑步机示意图 如图1.1所示，机械式跑步机也正是由于主动运动，用户在跑步中可随意的调整跑步的速度，通过自身的情况想快就快，想慢就慢，想停下来休息也可随意的停止。这样如果在运动中出现了例如肌肉拉伤，小腿抽筋等紧急情况人们也可随时停下来，不易因为电动跑步机那样的被动运动无法随时停止而引发安全事故，这是机械式跑步机的一大优点。现代的跑步机大都指电动跑步机，这类跑步机也是健身房里的主流设备。跑步机使用电能带动履带运动，人在上面因为履带运动而自身被动跟随运动，可随时监测当前的各类状况信息并显示在屏幕上，这样的跑步机不易使人产生疲倦感，在减肥，健身方面发挥着重要的作用。但由于电动机功率所需消耗电能十分巨大，家用电动跑步机的用电功率在 1.5KW-2.5KW之间，若每天运动平均按3小时算，每个月消耗的电能约为150度-250度电，每个月产生的电费能达到75-125元，且因为电动机械结构复杂，造价昂贵并不经济环保，所以不适用于每个家庭与地域。 虽然电动跑步机运动不易产生疲倦感，但是考虑到造价与成本，很多地方都无法普及电动跑步机，且机械式跑步机零件较少，结构简单，相比电动跑步机更加的稳定安全。在加装了自发电装置后也可实时监测显示当前运动信息，综合考虑创新与环保安全等因素，本次设计选用机械式跑步机。1.2.2设计研究方向 节能型机械式跑步机是在传统的跑步机的基础上加装一些装置，比如发电装置，履带、蓄电池、减速齿轮等。以法拉第发现的电磁感应中磁生电的原理为基础，通过齿轮履带使跑步机运动时的轴承转动带动发电装置的运转，在发电装置内由于磁通量的变化会产生感应电动势，再通过导线与导体连接与装置形成闭合回路产生感应电流。 此时产生的交流电并不稳定，搭建全桥整流滤波电路及LM317可调稳压器稳压为14V向12V蓄电池充电，蓄电池储存并缓冲电能。使用时接入LM7805将电压稳压为5V供给单片机。这样即使在运动过程中想休息，有蓄电池做缓冲单片机也不会因为没有电能供给而断电。合理的储存电能就不会损坏单片机并能稳定的使用自发电能。单片机作为逻辑主控制器实时监测用户的运动状态。1.3课题研究内容主要的研究内容：1）相比一般的机械或电动跑步机，本设计中的自发电装置可以使得用户在跑步过程中自身产生电能，经过整流滤波稳压电路后储存于蓄电池后并用于整个单片机或其他用电设备的供电。2）可以按键修改温湿度上下限阀门设置的数值及开关，单片机在超出设置温湿度上下限度阀门后使蜂鸣器报警，并点亮温度或湿度异常状态LED指示灯，控制出一个舒适的运动环境。3）跑步时的各类信息的显示，包括用户跑步速度、里程、已跑步时间、已消耗卡路里、指示灯及当前的温度湿度等信息，并有用户交动界面例如体重设置，温湿度报警控制及数据清零等功能，方便用户根据自身情况做运动统筹安排。 本跑步机的系统设计采用LCD1602液晶显示屏作显示面板，DHT11温湿度传感器用来检测当前温湿度。霍尔传感器测出发电机转速并根据齿轮半径、传动比参数转换为用户的跑步速度，使用单片机自带的12MHZ晶振及定时器控制跑步时间及路程等信息的计算。 第二章 跑步机系统总体方案设计2.1发电装置方案设计图2.1 发电机发电原理图 根据能量守恒原理，人体的动能可以变为电能，通过人体在跑步机上跑步带动履带产生动能，履带运转就可以带动发电装置，发电装置内置磁场与线圈绕组，根据法拉第电磁感应原理通过线圈中磁通量的变化在闭合回路中会产生感应电动势及感应电流，将其引出就可产生不稳定的交流电。如图2.1为发电机发电原理。图2.2 跑步机与发电机衔接图 节能式发电跑步机是在交流发电机发电的基础上加装齿轮履带等将发电机轴承与跑步机的履带主轴相连接，通过减速齿轮等的稳定后用户在跑步过程中就可带动发电机的摇杆运动。 如图2.2所示:跑步机的轴承以齿轮及履带的方式连接在发电机上，人在3上跑动就可带动履带2运动，带动轴承5与发电装置7运转。也可将发电装置安装在1处，更方便液晶模块在8处的接线显示。通过跑步机轴承5的周长设定与履带的传动比与齿轮半径就可确定出跑过的路程，根据霍尔或光电传感器测得发电机的转速，以齿轮间的传动比就能推得实际跑步过程中的速度并转化为KM/H单位显示在LCD上，单片机根据速度及定时器设置的定时就可算出路程等其他数据。图2.3 系统总示意图 如上图2.3总示意图：人在跑步过程中带动了发电机运动，发电装置集成了整流桥与电容，LM317三端可调稳压器稳压，调节电位器使得电压大约为14V为12V蓄电池充电，蓄电池储能后供电于主控部分带有LM7805稳压的单片机。单片机检测到温度设置超过阀门限度后自动开启相应的温度或湿度状态异常LED指示灯及蜂鸣器进行声光报警，达到智能监测控制舒适度的目的。 本设计将主要对传统滚筒履带型机械式跑步机进行加装处理，若直接将跑步机大链轮接自发电机的手摇杆轴上，则可能由于转速过低导致发电电压过低，故使用大齿轮带动小齿轮的方式，大齿轮主动运动带动履带传递动能给小齿轮，小齿轮再来带动发电机摇杆轴运转，只要根据人的跑步速度范围及公式计算线圈匝数及齿轮比，发出的交流电电压将不会过小也不会过大，稳定在一定范围之内。2.2稳压芯片及稳压电路设计 本次设计中的电源是由于人体运动带动发电机运动产生的，在跑步机上运动的过程中人体不可能以一个恒定的速度运动，所以人体发出的电能是不规则且在不停变化的交流电，在本次设计中要使得发出为电压大小稳定的直流电，就需使用整流稳压电路并使用蓄电池电池来做电能储存缓冲，在稳压芯片上选择很多，常见的稳压芯片有7812、7912、7809等，考虑到要将电能储存在12V蓄电池中 ，12VNP蓄电池满电电压可达14.5V，故稳压范围大约应在14-15V，选用7912这类固定值稳压输出的稳压器不能满足要求。 LM317作为一只在各类稳压电路中经常使用的经典三端式可调集成稳压器，调压范围1.2-37V，最大负载输出1.5A，因为其具备输出电压可调的优势，而且芯片内通常含有过流与过热状态保护电路，调压由可以滑动变化的电位器RP与定值电阻R组成，输出电压公式VOUT=1.25*（1+RP/R），所以选用LM317为稳压芯片非常合适。图2.4 LM317稳压部分电路图 如图2.4，使用时先搭建全波桥式整流滤波电路，利用D1-D4四个IN4007整流二极管的单向导通性完成AC/DC转变过程，此时电流为脉动直流电，使用C2、C3、C4电容滤波处理初步稳压，D6处的IN4001二极管防止发电机电压低于蓄电池时反向放电，LM317稳压芯片再将电压稳定到用户想要的值得到稳定电压，调节LM317上的电位器就可以调节电压至14V以给蓄电池充电。 如下图2.5所示，由于蓄电池储存的12V电能不能直接供给单片机使用，还需使用稳压范围宽广性能优异的LM7805芯片，7805稳压范围为7-36V，压差最小为+2V，最大输出电流1A，即使将经317稳压后的14V发电机电压直接加至7805上也能正常工作。使用7805将12V电压进行二次稳压至5V以保证单片机电压稳定。图2.5 LM7805稳压模块原理图 使用时在发电机正极处接入一只整流二极管以防止发电电压过低时蓄电池对发电机反向放电，当用户在跑步机上由于速度不够或动作停止时蓄电池将作为储备电源为单片机负载供电。当用户发电电压充沛时发电机将主要为单片机供电及为蓄电池充电，只要发电机性能优秀发电电流够大，发电机将提供少量电流来补偿蓄电池局部作用的损耗并主要为负载供电，使蓄电池经常保持在充电满足状态但又不至过充电。 这种使用蓄电池作为备用缓冲储能电容的方式为“半浮充”方式，这种方式并不会损坏电池的寿命，相反其寿命一般较全充放工作方式的蓄电池要长。此时单片机、蓄电池与发电机总体呈并联状态。2.3系统流程图及工作原理图2.6 系统硬件总流程图 系统硬件总流程框图如图2.6示。当用户运动后产生的电能先经集成LM317稳压芯片的整流稳压电路整流成为稳定的直流电，调节电压后先使用万用表确定稳压数值为14V后再给蓄电池充电，蓄电池给带LM7805稳压器的STC89C52单片机供电保证正常使用，单片机再驱动语音或其他用电设备。第三章 硬件部分3.1单片机与中断系统 本次设计中采用经典且稳定耐用的STC89C52单片机作为逻辑主控制器，STC89C52单片机是51单片机的升级版，是一种低功耗，高性能的COMS8位微控处理器，使用经典的MCS-51内核，MAX810复位电路，采用PDIP封装，。它与51单片机的指令完全兼容，不同的是C52单片机的EEPROM为4KB，拥有8KB的可反复擦写FALSH ROM，这使得更大的程序也能够写入单片机，且相比51单片机多出了一个定时器，使用时只要将优先级及延时设置正确多个定时器就可以同时工作且不会互相影响，RAM方面相比51单片机也多出了128Byte，速度响应更加迅速。图3.1 STC89C52RC引脚图 如上图3.1所示STC89C52单片机的引脚图，其中VCC为+5V电源，GND为接地线，拥有32根可编程输入/输出引脚，4组8位的I/O口分别是P0、P1、P2、P3口，每个口有8根引脚，共计32根可编程双向I/O口，下图3.2为单片机最小系统框图，包括时钟电路、复位电路、MCU和IO设备及电源。图3.2 单片机最小系统框图 单片机内部中断是单片机技术中非常重要的一项内容，设计中若想使得时间、路程准确计算并变化，一种方案是使用类似于DS1302的RTC时钟芯片，晶振频率32.76KHZ，但是这种方案较为繁琐，还需外加纽扣电池来给时钟芯片供电。另一种方案是使用单片机内置的12MHZ晶振定时器来产生准确时间，这种方案计时/计数精度也非常高，且无需外加电池即可使用，结合本次设计的多方面考虑，并不需要RTC时钟芯片，使用定时器即可准确的计算时间、路程等数据。 图3.3 中断系统的内部原理图 如图3.3所示，本次设计中系统所有参数的动态变化都是由于中断引起的，51单片机中有5种中断方式，分别为外部中断0与1，定时器0与1及串行口中断，在本次设计中我们只使用定时器0及外部中断0的下降沿触发方式就可以满足所有的功能要求且不会造成中断冲突。 定时/计数器是利用单片机晶振产生准确计时的一种方式，打开EA总中断允许与ET0中断允许及开始位TR0后开始计时，在程序运行过程中定时器与主函数同时运行并在定时器初值的基础上一个机器周期内累加1，程序在运行过程中只要判断定时器的值已经溢出即进入定时器中断函数，直到执行中断函数完毕后又回到刚才进入中断的程序处继续执行程序，等待下一次中断并重复这个过程。 设计中使用的12MHZ晶振机器周期为1us，设置中断初值为溢出位减1000并转化为16位赋值定时器的高八位和低八位，得到周期为1MS的中断计时，在主程序中进行变量判断就可以准确的计算各种长度的时间。图3.4 单片机功能结构框图 如图3.4所示，在本次设计中测速模块使用霍尔磁效应传感器，当INT0检测到下降沿脉冲时触发中断，外部中断函数内对变量进行计数+1，定时器每秒统计变量数并及时清零以计算速度，累加路程及卡路里，需要注意的是单片机在浮点数与整数运算时必然会有误差，软件调试过程中采用了浮点数转换浮点数及四舍五入的方法已经尽可能的减少了误差，实现各参数的精准计算。3.2 LCD1602液晶显示模块 考虑到本次设计显示信息较多，若使用传统数码管显示内容将无法直观全，且无论共阴极或共阳极数码管多路显示时需动态扫描，对单片机的处理性能影响很大，故应选用液晶屏显示模块。液晶显示型号有例如1601,0801,0802等，其中前两位数字一般表示液晶显示的长度单位，比如0802即为横向8个字符竖向2排字符，1601为横向16个显示字符，竖向1排。本次设计中我们采用常用的自带背光的1602液晶显示器，它的横向显示内容为16个字符，竖向2排字符。 图3.5 LCD1602管脚图 如上图3.5所示其内置16个管脚，其中VSS为电源地,VDD为+5V电源正接入口，V0处通常接入10K的电阻调节亮度，DB0-DB7为数据传输位，A极和K极分别为背光正极和负极，但编写程序时只用其中的三个（RS寄存器选择、R/W读写信号线与LCD EN使能端）。 图3.6 1602电位器调节图 如图3.6所示：LCD1602液晶通常可以接入一个10K电阻的电位器调整亮度与对比度。但为了节省电能可以使用软硬件结合的方法自动开启及唤醒液晶背光，常用的方法可以在背光正极处接入一只PNP型常开三极管，使用I/O口控制三极管的导通与关闭及软件编写就可控制LCD的背光延时熄灭，或者输出脉宽调制PWM技术，根据调节PWM矩形波的占空比或频率也可调节亮度。但是最简单的方法是直接将背光K极连接至单片机的一个可编程I/O口，当I/O口置位于高电平时背光熄灭，低电平时打开，通过软件就可以设置一定延时后自动熄灭，在用户有操作时自动打开，这样更加符合本设计节能环保的理念，在本次设计中我们设置了延时60S自动关闭背光。 图3.7 内部RAM结构图 如图3.7为液晶内部RAM的映射图，在进行写COM指令时地址从0x00至0x67，而初始化后1602显示地址范围只能从0x00到0x0F与0x40至0x4F,进行滚屏移动时正是利用了这一点，移动LCD的屏幕显示起始地址位置并设置一定的延时函数就可做出动态位移的显示效果。1602字符液晶显示时与ASCII字符表是对应的，在进行写入数据命令时使用两位16进制数字来表示字符或数字，对应的ASCII码为显示内容。图3.8 1602写操作时序图 如图3.8所示，在使用LCD1602时，有读与写操作两个时序，通常只需按照时序图进行写操作即可驱动液晶，在进行写指令时，需要把RS设置于低电平，RW设置于低电平，将数据由P0口传送到数据口D0-D7，写入指令时给E引脚产生一个高脉冲即可。在进行写数据时，把RS置为高电平，RW置为低电平，将数据送到数据口D0D7，同样为E引脚产生一个高脉冲就可写入数据。3.3 DHT11温湿度模块 DHT11作为一款温湿度传感器，并不需要额外的ADC进行模数转换，是一款内置已校准数字信号的集成传感器。含有的传感器包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，高性能8位单片机。使用DHT11时需遵循主从结构通讯关系，只有当主机发出信号时从机才会应答传输数据，DHT11测温范围为0-50，测湿范围20%-90%RH，误差分别是+-2和+-5%RH，故使用时不同于DS18B20须精确到小数点后一位，但是作为一款复核数字温湿度传感器且其动态响应速度十分快，性价比已经非常高。 图3.9 DHT11典型电路图 如图3.9所示，DHT11与DS18B20类似，是通过单总线与MCU通讯的，数据传输时只要一根DATA线就可一次传输40位数据，高位数据优先传输，其数据格式为湿度整数与小数数据+温度整数与小数数据+校验位，其中每个独立数据都为8bit，在本次设计使用了外部中断0及定时器0中断。 DHT11对时序图程序要求十分严格，若当其进行主从机通讯时发生了中断，数据传输将会被打乱，故当MCU与DHT11进行数据传输时每次传输数据后都应判断8bit校验位是否完整，如果完整则保留数据否则就舍弃数据等待下一次传输。需要注意的是该传感器上电后需要1S的稳定时间，此时不能进行任何数据传输，每次传输数据时应该为其预留5S的缓冲时间。 图3.10 DHT11时序图 如图3.10所示，传输数据时总线空闲状态始终为高电平，传输前主机先把总线拉低大于18ms来等待DHT11响应，DHT11检测到开始信号后开始等待开始信号的结束并发送80us的低电平响应信号，当主机发送开始信号结束后延时20-40us后读取其响应信号并由上拉电阻拉高总线。 当检测到总线为低电平时说明DHT11发送响应信号，把总线拉高至80us传输数据，每组传输数据以50us低电平间隙发送，数据为0或1由高电平的时间长短决定，直至传输完最后一组数据后上拉电阻拉高总线使其进入空闲状态。3.4霍尔效应传感器测速模块 霍尔传感器是根据霍尔效应制作出的一种磁场传感器，是1879年霍尔在研究金属导电机构时发现的，利用这一现象制成了各种霍尔元件。在本次设计中测速为重中之重，也是计算卡路里、路程等参数的数据来源。故测速一定要准确并契合实物的设计。去除一些不精确的常规测速方式后在测速模块上的选择有以下两个方案：方案一： 使用对射极光电码盘测速，如图3.11所示：该方案使用编码器组成光电脉冲式测速传感器，在光电编码器测量过程中，光栅盘与发电机主轴同时旋转，光电光敏检测装置将输出若干个脉冲信号，根据单片机测量出该信号的每秒脉冲数便可计算出电机转速。比如若编码数为30个，时间T为一个接收脉冲周期，INT接收到的脉冲数为N,则转速=N/（T*30）*60=2N/T（r/min）。 该方案虽然精度较高，但有一个很大的缺陷就是装置体积大，安装在电动机上空间足够，但若安装在发电机上因为齿轮与发电机之间的啮合实际空间十分狭小，安装将十分困难。图3.11 光电编码器测速原理图方案二： 使用霍尔传感器测速，如图3.11，给Z轴方向上加磁场强度为B的匀强磁场，IC方向为通过半导体薄片的电流，则在XYZ三维空间中会产生垂直于IC与磁场方向的感应电势差UH，这个现象的产生即为霍尔效应。图3.12 霍尔效应原理图 如图3.13，该方案利用霍尔效应与集成电路技术相结合的磁敏传感器，它能够感知与磁信息有关的变量并输出不同脉冲信号，当导体接近传感器时传感器输出高电平，远离时输出低电平，传感器将接受到的高低电平信号转换为MCU能识别的TTL电平，使用时传感器接至外部INT0口，设置工作方式为下降沿触发,中断函数内设置累加变量，定时器定时对变量进行计算并清零就可以算出转速进而转化为速度及里程。图3.13 霍尔传感器测速原理图 无论是霍尔测速还是对射极光电码盘测速的精度都可以达到要求，但是综合考虑到发电机之间还有减速齿轮，安装空间并不适宜用光电码盘测速，我们使用第二种霍尔传感器测速方法，安装时十分简单，只需将磁铁块吸附在转动齿轮上，设置传动比及齿轮半径就可将速度转换为KM/H的实时速度并显示出来。 本次设计使用A1344E-402型号大芯片高灵敏度的霍尔传感器。考虑到跑步时电机转速的速度一般不会大于100R/S，转速不高的情况下磁极数目无需过多测量就足够精准，而无论磁铁数目是多少只要当每个磁铁都产生了一次脉冲信号后即认为齿轮转动一圈。 比如当磁铁数目为10个时，Rs=(K/10)/T,在本设计中T为1S，K为一个周期内接收到的累加脉冲信号，即Rs=K/10（R/S），换算成RPM（转速/分钟）=（K/10）*60。第四章 软件部分4.1系统软件模块组成 本设计软件程序部分使用Keil uVision4完成编译调试。使用语句明了，逻辑运算清晰的C语言设计完成各个模块程序功能的实现及互相结合。程序主要包括各硬件模块初始化部分、数据监测及计算并显示部分、温湿度报警部分和用户互动控制界面部分。图4.1 系统软件功能框图 如图4.1，本设计中软件部分为重中之重，若想使得计算的结果准确可靠，设计软件的算法就必须面面俱到的考虑，单片机对所有1以下的整型数都会舍弃小数点后的数字，比如0.8并不等于1而是等于0。所以在设计软件方面，速度的变量准确度将直接影响着其他例如路程、卡路里计算的精准度。 根据调研市场上电动跑步机上的面板参数，速度显示通常不为M/S而是KM/H，卡路里显示通常都为大卡即千卡（Kcal），所以在设计软件时利用浮点数累加转换浮点数的方式来减少误差。 设计思路是将速度首先转换为两个独立的变量分别是M/S的浮点数及KM/H的浮点数，然后在每秒中断时用对M/S浮点数进行累加计算路程，最后设置一个整型速度及整型路程来接收浮点数KM/H速度及路程并显示出来，这样浮点数的精度将很大程度的得以保留，使得计算结果更加准确。 卡路里的算法与体重和距离（公里）有关，故还需设计用户按键体重输入程序。由于显示的内容还包括温湿度，所以采用了动态显示的方式循环显示温湿度及路程和卡路里变量，也可通过按键控制关闭循环显示，使得本设计各个方面都更显人性化。4.2软件模块化编程方法 在进行软件编程时对定时器中断的初值赋值尤为重要，各模块间监测速度与路程等变量的延时设置不能太长也不能太短，太长的话变化不够明显，太短了又耗费单片机性能且由于变化太快易造成观看者视觉疲劳，还会在当跑步者速度太慢时造成脉冲丢失而LCD显示紊乱。 经过市场调研后结合跑步者运动情况，设计定时器检测周期为1ms，显示周期为1s，这样既不会由于显示太快使得单片机负载过重，也不会造成数据丢失从而精度不够，观测效果也将更加明了舒适。4.2.1显示模块编程图4.2 LCD液晶显示流程图如图4.2所示，当单片机打开电源后，软件将首先对LCD液晶进行初始化，并写入欢迎语句以便测试液晶显示状况，然后显示体重设置界面，用户只有对体重进行调节并确认后才会进入主界面。在主界面中LCD液晶将循环的检测指令并显示，当用户有按键介入时LCD很快的完成清屏初始化及改变相应的写入地址和指令，实现人机交互。 4.2.2数据处理模块编程 如图4.3所示，当霍尔传感器检测到有磁铁靠近并远离后将发送一个下降沿脉冲信号给INT0，定时器每秒检测INT0的脉冲信号数并及时清零，如果检测到在一周期为脉冲数为0则表明跑步动作没有开始，这种测速方法为周期计数法。 此时LCD液晶上的路程、卡路里、跑步时间等显示将不会变化，直至在某个定时周期内检测到了脉冲数不为0，表明跑步动作已经开始则打开各变量开始接受数据并计时，路程等变量也以1s为周期显示在LCD上显示出来，直至检测到某一周期内脉冲数为0停止计时并统计各个数据，将统计到的数据经算法处理后显示在LCD上等待下一次脉冲。 图4.3 霍尔传感器测速流程图4.2.3环境监测模块编程 如图4.4所示，当初始化DHT11并预留给其足够的缓冲时间后，DHT11开始工作，因为DHT11精度原因只需每次检测温湿度数据中的高八位即可，将其实时显示在LCD屏幕上，如果检测到温湿度超过了设置好的上限或下限阀门就打开相应的温度或湿度红色LED异常状态指示灯，同时蜂鸣器鸣笛进行声光报警，直至检测到温湿度没有超过阀门时关闭蜂鸣器与指示灯。 在本设计中用户可以手动设置上限或下限阀门，阀门之间的逻辑关系为“或”，因此并不会互相影响。用户可以任意设置温湿度每一个上下限阀门的数值或开启与关闭，实现更加人性化的温湿度度控制报警功能。 图4.4 DHT11温湿度检测流程图4.2.4声光报警模块编程 图4.5 蜂鸣器与LED电路图 如图4.5所示，在跑步过程中温湿度对运动者跑步健康的影响很大，人体对温度的感知能力有限，故需要一种温湿度声光报警控制系统。在声音方面若使用无源蜂鸣器还需向I/O口发送PWM方波，有源蜂鸣器则要简单得多，只要给I/0口编程为高电平蜂鸣器就能发出一定频率的声音。 本次设计中声光报警使用两颗红色LED灯和有源蜂鸣器实现，但I/0口的拉电流能力有限，而蜂鸣器在蜂鸣时需要较大的电流，S8050是常见的NPN型晶体三极管，可以用作开关电路或高频放大，经常被使用在各类电路中。S8050最大集射击穿电压25V，最大集电极电流ICM=800mA,足以驱动一般的蜂鸣器，使用时在蜂鸣器两端并联一只反向保护二极管（1N4007）。用户设置温湿度界面使用独立按键移动光标调节范围值，因为DHT11的检测范围原因，温湿度调节范围为0-50与20%-90%RH。如上图4.4所示，在编程中将有源蜂鸣器定义接入P24口，P10与P11口分别接入温湿度LED异常状态指示灯。I/O口P10和P11也可以接入继电器驱动用户的家用加湿器或电风扇等设备，从而营造一个舒适的跑步环境。4.3软件设计总流程图 图4.6 软件设计总流程图 如图4.6所示：打开单片机电源后将初始化LCD，同时初始化DHT11并打开定时器中断允许开始脉冲计数，以防在设置完毕后因初始化硬件时间预留不足而出现显示紊乱的情况。硬件上电后后首先进入体重设置，用户可以通过加减按键设置体重并确认退出，MCU将在这期间接收到的INT0脉冲数及初始化DHT11后读取到的温湿度值进行各类数据分析及处理，LCD进入主界面并显示数据，在主界面中如果检测到用户有按键输入则打开相应的设置界面或其他功能，待用户在其他界面设置完毕后MCU再次读取用户设置的数据（例如温湿度阀门，体重等数据），并进行相应的内部运算及处理。4.4系统仿真调试 如图4.7所示，在本次设计中使用EDA软件proteus8.3进行软硬件仿真调试，相比7.8版本加入了新的元器件库，其中含有DHT11温湿度元件，使得仿真工作更贴合实际。图4.7 系统仿真总图 如图4.8，设计中霍尔测速传感器难以仿真，使用脉冲触发器与独立按键来替代，按下按键就可以改变INT0接收脉冲的时间，模拟出速度脉冲在变化过程中的现象。 图4.8 霍尔测速仿真图 如下图4.9所示，温湿度报警指示灯模块使用两个LED红色指示灯来仿真，其中的电阻可以代替继电器等设备，以控制加降温湿度。S8050三极管驱动有源蜂鸣器，控制系统的4个独立按键高电平触发。 图4.9 温湿度报警与蜂鸣器按键仿真图 如图4.10与4.11所示，经过调试后proteus仿真中所有功能都正常实现，虽然仿真只是一个软件模拟平台，但是它简单快捷，使用方便，合理的规划出实物制作方案，节约时间。图4.10 系统仿真结果图1图4.11 系统仿真结果图2第五章 总结5.1跑步机系统设计工作总结 本文设计出的自发电跑步机，可以实现电动跑步机的运动信息监测功能，用户在跑步过程中带动履带与减速齿轮产生不稳定的交流电，经过整流滤波与LM317存储于12V蓄电池中、蓄电池经LM7805稳压后供电于单片机，也可直接供电于其他用电设备。这种半浮充的用电方式非常灵活与高效节能。用户在跑步中产生的电能一部分用于储存，一部分用于给单片机供电，实现低碳，自循环，实际产品成本将十分低廉。这是一个集舒适，低成本，节能环保于一体的设计，对人们提高健身兴趣与增加锻炼效果有很大的意义。软件方面采用了模块化的设计编程方法，本次设计主要完成了这些方面： （1）相比传统的机械式与电动跑步机，本设计中的节能式跑步机可以实现 自发电与各类信息检测与显示，更符号当前社会的低碳生活要求与主流价值观。 （2）具有温湿度报警功能，为用户直观的营造舒适的跑步环境。 （3）根据Keil UV4，设计并完成了各个软件模块的程序编写。 （4）设计了各个模块，并运用protel 99se绘制了系统总原理图。 （5）使用Proteus 7.8对总系统进行了仿真并调试成功。5.2产品化