【《跑步机控制硬件和软件系统设计案例分析》5100字】

跑步机控制硬件和软件系统设计案例分析第1章跑步机控制硬件电路系统设计1.1主体硬件电路设计本课题以51单片机为控制核心，进行控制板硬件电路的设计。51单片机是对所有兼容Intel8051指令系统的单片机的统称，本设计使用的是Intel的80C51单片机，引脚图如图17所示，电源线VCC为+5V、VSS接地，振荡电路接XTAL1和XTAL2脚，复位引脚为RST，并行口有P0、P1、P2、P3，EA是访问程序寻初期控制信号，ALE是地址锁存控制信号，PSEN是外部ROM读选通信号。图1780C51单片机引脚图（重画）跑步机的系统组成框图如图18所示。主体电路包括电源电路、驱动电路、显示电路、按键电路、晶振电路和复位电路，如图19所示。图18跑步机控制系统框图图19主体硬件电路原理图1.1.1电源电路设计电源电路是用电设备电力供应的电源部分的电路设计，是设计任何控制板都需要具备的电路，一个稳定的电源电路对于整个控制系统来说非常重要，常用电源电路的模块功能设计由整流、滤波和稳压构成。串励电机需要220V交流电源，单片机需要5V直流电源，电路原理图如图20所示。交流降压环节采用滤波电容C2，之后经过三极管射极输出。TL431是可控精密稳压源，可以等效为一只稳压二极管，辅以合适的外围电路它可以在很大范围内输出质量较好的基准电压。R3，R4，R6组成TL431的保护电路，最终输出稳定恒压5V。图20电源电路原理图1.1.2驱动电路设计驱动电路使用H桥式直流电动机驱动电路。H桥是一个典型的直流电机控制电路，如图21所示，当Q1管和Q4管导通时，电流从正极经Q1从左到右流过电机，然后经Q4回到负极，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右到左流过电机，驱动电机逆时针转动。H桥的控制方式有三种，本文选用了脉冲宽度调制。图21H桥直流电机控制电路（重画）1.1.3按键电路设计P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4口分别接一个独立按键。使用定时/计数器0的方式1，产生脉宽可调的矩形波。通过P1.0和P1.1两个按键，一个实现脉宽高电平加宽，一个实现脉宽高电平变窄，P1.2和P1.3控制电机的正反转，P1.4控制电机的启动和暂停。在无按键按下时，由于单片机I/O口内部自带上拉电阻，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4被上拉电阻拉为高电平；当有按键按下时，对应接口立刻变为低电平，此时其他按键仍为高电平，从而识别被按下的按键。这种方法结构简单，容易识别，适用于少量使用按键的场合。1.1.4显示电路设计选用Proteus中的1602液晶显示元件LM016L，这个元件不需要进行什么设置只需要连线。数据端口D0-D7与51单片机I/O口中的P0口连接；RS是数据和命令的选择端，接P2.7脚，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器；RW是读写选择端，接P2.6脚，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作；EN是使能信号端，接P2.5脚，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。1.1.5晶振及复位电路晶振电路有两个电容分别接入到晶振的两端，电容的另一端则接地，组成并联谐振回路，晶振是时钟电路中最重要的部件，主要作用是向各部分提供基准频率，如果工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，容易出现问题；晶振还有个作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号，提供一个时序控制的标准时刻。晶体振荡的频率越高，那么系统的时钟频率也会越高，单片机的运行速度也就越快，通常情况下时钟振荡频率为6-12MHz，本设计中设定晶体振荡频率为12MHz，与晶振连接的两个小电容为33pF，用于提高晶振的稳定性使芯片正常起振。复位电路的作用就是使微控制器在获得供电的瞬间，由初始状态开始工作。若微控制器内的随机存储器、计数器等电路获得供电后不经复位便开始工作，可能某种干扰会导致微控制器因程序错乱而不能正常工作，为此，微控制器电路需要设置复位电路。单片机复位可以由两种方式产生：上电复位和按键复位。上电复位是通过阻容充电电路实现，在上电瞬间，RST端与VCC电位相同。随着充电电流的减小，RST端的电位慢慢下降，只有选择合适的电容和电阻，使RC时间常数大于复位时间才能保证上电复位发生。按键复位是通过电阻分压电路实现的，压下按键时串联电阻上的分压可以让RST端产生高电平，松开按键时产生低电平。只有按动按键产生的复位脉冲宽度大于复位时间，按键复位即可发生。而在本设计中，采用上电复位和按键复位结合的复合复位方法。上电复位的的电阻和电容分别选择100Ω和1uF。1.2抗干扰设计抗干扰设计的基本任务是系统或装置既不因外界电磁干扰影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，以免影响其他系统或装置正常工作。1.2.1电路中的电磁干扰问题电路产生电磁干扰的要素有三点，分别为干扰源、干扰途径、对电磁干扰敏感的器件。（1）电磁干扰源电磁干扰源可分成若干类，一般按照干扰源的来源分为两大类：自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源主要是来自大气层的雷电噪声、地球外层空间的宇宙噪声，这些基本组成了地球的电磁环境。人为干扰源是由机电或其他装置产生电磁干扰，其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置，如广播、电视、雷达等，称为有意发射干扰源；还有一部分是在完成自身功能的同时产生电磁能量，如输电线、交通车辆、电动机械、家用电器等，称为无意发射干扰源。（2）电磁干扰的传输途径电磁干扰的传输形式和电磁能量的传输形式基本相同，通常分为两大类：传导干扰和辐射干扰。传导干扰是通过导体传播的电磁干扰，其耦合形式有电耦合、磁耦合和电磁耦合；辐射干扰是通过空间传播的电磁干扰，其耦合形式有近场感应耦合和远场感应耦合。此外，还有辐射和传导同时存在的复合干扰。（3）对电磁干扰敏感的器件电磁敏感器件是因受电磁干扰而性能降低的器件、设备或系统，如微处理器、数字IC、A/D转换器、D/A转换器等。在本系统中，串励电机就是最大的电磁干扰源，干扰的传输途径主要是传导干扰，也有辐射干扰，敏感器件包括单片机和三极管。1.2.2提高抗干扰性能的措施由于电子电路产生电磁干扰，于是我们需要对电子电路进行抗干扰设计，根据形成电磁干扰的三要素可知，要实现产品的电磁兼容，需要从三个方面着手：抑制干扰源、切断干扰传播途径和保护敏感器件。常用的方法有：（1）抑制干扰源：消除线圈反向电动势、消除接点火花、减小电机电磁噪声、减小高频噪声对IC干扰、PCB板的正确布线和消除可控硅干扰。（2）切断干扰传播途径：消除电源噪声、与噪声源隔离、晶振的正确安装、电路板的合理分区、数字地与模拟地的分离、功率器件的放置于接地、关键连接线的处理。（3）提高敏感器件的抗干扰性能：减小关键相邻两线回路环面积、设置较宽大的电源线和接地线、闲置管脚接地或接电源、使用电源看门狗电路、尽量使用速度较低的芯片和IC器件尽量直接焊接在电路板上。在本系统中，注意在PCB布线时避免垂直折线可以减少高频噪声。对于传导干扰，由于串励电机是最大的电磁干扰源，所以来自电源噪声的危害极大，在设计电源时设置了较多的电容进行滤波；对于辐射干扰，一般需要增加干扰源和电磁敏感器件间的距离，通常用地线进行隔离，注意晶振电路的布线，晶振电路与单片机引脚尽量靠近，用地线将时钟区隔离，晶振电路接地并固定。对电路板合理分区，将敏感器件远离干扰源。第2章软件流程设计及仿真结果2.1软件流程设计在现代电子线路和控制系统的设计中，软件的设计、编程及调试是非常重要的步骤，几乎贯穿了整个开发过程。软件系统和硬件系统共同构成实用的微机系统，两者相辅相成缺一不可，计算机硬件按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础，在进行硬件设计的同时也要考虑到后面阶段软件设计实现的可能性。想要完成控制系统的设计，就需要设计出完善的控制软件。2.1.1主程序流程设计主程序主要包括系统初始化、按键判断、电机控制及转速显示。主程序开始后是不断循环的，控制板上电后，单片机对系统初始化，包括内部寄存器、I/O端口、中断、定时器等。初始化完成后就进入主程序，当有外部输入或中断时，系统需要迅速响应并且按照设计好的中断流程完成相应功能。主程序流程图如图22所示，控制板上电后单片机系统进行初始化并定期扫描按键判断按键是否按下，如果按键被按下立即读取键值，然后控制电机的启停、正反转和加减速的功能，最后将电机转速和输出脉冲占空比显示在液晶屏幕上。图22主程序流程图2.1.2中断程序流程设计在软件流程设计中，中断扮演了非常重要的角色，中断是为了让单片机有能力对外部或内部随机发生的事件进行及时处理，中断功能的存在很大程度上提高了单片机处理内外部事件的能力。80C51单片机内部有5个中断源，它们的基本内容见表1。表1中断源的基本内容51单片机的中断源中断源名称中断级别中断向量中断号P3.2引脚的电平/脉冲状态INT0-外部中断0最高0003H0定时/计数器0的溢出标志位状态T0-定时/计数器中断T0第二000BH1P3.3引脚的电平/脉冲状态INT1-外部中断1第三0013H2定时/计数器1的溢出标志位状态T1-定时/计数器中断T1第四001BH3串口数据缓冲器的工作状态TI/RI-串行口中断最低0023H4本设计中使用到定时/计数器中断T0，外部中断1和定时/计数器中断T1，通过T0产生PWM信号，通过INT1记录电机转速，通过T1显示电机转速。由于使用的按键较少，所以本研究采用独立键盘对串励电机的转速和转向进行控制，按键子程序如图23所示。软件程序设计时要注意在键盘闭合和张开的瞬间会产生抖动，所以需要设计延时消抖的代码。采用中断方式，点击按键后单片机引脚产生负跳沿，响应中断程序，完成延时消抖、按键扫描和功能执行。中断程序流程如图24所示。图23按键子程序流程图图24中断程序流程图2.2仿真测试及结果本文进行了跑步机控制系统的硬件设计和软件流程设计，使用Proteus软件对主体电路进行仿真验证。Proteus不仅具有EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围电路，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，是方便快捷功能强大的电路仿真软件。Proteus不仅可以把许多型号的单片机实例功能形象化，也可以把许多单片机实例运行过程形象化，前者可以在很大程度上得到实物演示实验的效果，后者则是可以得到实物演示难以达到的效果。软件中的元器件、连接线路等和单片机实验硬件高度对应，在很大程度上替代了传统单片机实验的功能，并且软件提供了大量元器件库，可以灵活修改电路，还有实验室在数量和质量上难以匹敌的虚拟仪器、仪表。使用Proteus进行仿真，可以大大缩短设计时间、减少资金损耗、降低工程制造的风险。本文设计的跑步机主体控制电路的仿真图如图25所示。使用了80C51单片机、直流电机、电阻、电容、三极管、晶振、按键、电压表、液晶显示屏和示波器等。图25主体控制电路仿真图一般的电动跑步机的速度档位为：慢走3-6km/h，快走6-8km/h，慢跑8-12km/h，快跑12km/h以上。跑步机速度与电机转速的换算公式如下：K=rL=π∗rn0=0.06nKL式中：r1-电机轴伸端-铁带轮外径，单位mm；r2-跑步机-皮带轮外径，单位mm；r3-跑步机滚筒外径，单位mm；n-电机转速，单位rpm；K-电机与皮带轮的减速比；L-滚筒的周长，单位m；n0-跑步机速度，单位km/h。参考正常家用跑步机的结构参数，本文设定参数电机轴伸端-铁带轮外径为27mm，跑步机-皮带轮外径为88mm，跑步机滚筒外径为46mm，后文的跑步机速度与电机转速的换算参数均以此作为标准。通常情况下，跑步机使用的电机最大速度为5000-5800rpm时比较合适，那么通过仿真发现当占空比为30%时电机转速约为5680rpm，仿真的转速及占空比显示如图26所示，波形如图27所示，A通道为正转时的PWM占空比，B通道为反转时的PWM占空比，C通道为电机转速显示。所以设定占空比最高为30%比较适宜人体正常跑步规律。图26占空比30%时的仿真图图27占空比30%时的波形图点击“开始/暂停”按钮，电机开始逐渐升速，由式（7）、（8）、（9）可得，初始占空比设定为3%时比较适宜，此时的转速在3-4km/h，适合进行跑前慢走，其仿真图和波形图如图28和图29所示。然后由运动人员点击“加速”按钮自行加速进行跑步运动，“加速”和“减速”按钮每点击一次则占空比加1%或减1%，占空比增加则转速增大，占空比减小则转速降低。或者运动人员也可以在跑步开始前先将转速调节到需要的档位，然后点击“开始/暂停”按钮直接开始快跑。根据仿真代码设计，在占空比到达0后点击“减速”会保持占空比为0不变，在占空比到达30%后点击“加速”会保持占空比为30%不再增加。图28占空比3%时的仿真图图29占空比3%时的波形图按键还设置了正转和反转，即本系统拥有正向跑步和倒走锻炼的功能，电机初始设置为正转，波形类似于图29，点击“反转按钮”后波形图如图30所示。最后再次点