跑步机智能控制系统的设计开题报告

沈阳航空航天大学

毕业设计(论文)开题报告

题目: 跑步机智能控制系统设计

专 业: 电子信息工程

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一、 选题的依据及意义：

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高,健康是人们越来与重视的话题,健身热逐渐成为主流。而现在，社会的发展忽略环境的保护，追求GDP的增长，室外的环境已严重不适合人们进行身体锻炼，汽车的普及，道路上车流如织，汽车尾气的排放、噪声的污染、交通事故的频繁发生。诸多原因，造成室外的环境锻炼已不适合于人们，有效的进行室内锻炼成为人们提高身体健康、锻炼的必然趋势。而跑步机是当今家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择，不受外界天气、空气污染、噪声污染，在室内进行有氧运动，随时随地，方便高效。跑步机的制作上可起到减震作用，对脚踝和膝部反冲击有减弱作用，减轻在锻炼时对我们身体的副作用!

跑步机自从20世纪80年代面世以来，随着集成电路和数字电路的飞速发展，其控制系统也已从最初的模拟单闭环控制系统发展到了今天的数字式双闭环控制系统，而从近些年来科学技术的进步和国内外数字智能运动控制系统的发展趋势来看，未来跑步机控制系统的智能化、数字化将成为主流的发展趋势，这也符合人性最基本的规律，也将是改变现行的体育锻炼模式的最好途径。 此课题需要通过STM32系列单片机实现对电机的控制，在达到控制转速及公里数的同时还具有高性能、低成本、低功耗等优势。STM32系列单片机的优点主要有：使用ARM最新的、先进构架的Cortex-M3内核；优异的实时性能，杰出的功耗控制，能最大程度上的集成整合。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。STM32F103系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。 芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能是同类产品中性能最高的产品；STM32F101系列芯片ARM32位Cortex- M3的CPU.36 MHz的最高频率，64至128 KB的快闪记忆体，高速，嵌入式记忆体（至128 KB快闪记忆体和SRAM16K字节）。以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。STM32F103适用于：电机驱动、应用控制、医疗、手持设备、编程控制器（PLC）、变频器、扫描仪、打印机、警报系统、视频对讲、暖气通风、空调系统等。

因此，通过对STM32F103系列芯片的了解，可在低成本，高效率的前提下实现对跑步机智能控制系统的设计。

二、国内外发展现状：

在当下人们生活节奏越来越快，特别是生活在城市当中的人们，其工作压力日益加大，身体所承受的压力和破坏也日益增大。增加体育锻炼，改善身体机能，成为广大上班族的迫切需求，但有限的生活空间，有限的自由支配时间和资金，导致体育健身变得困难重重。在这种情况下，占用空间小，运动效果良好的跑步机等室内运动健身器械得以长足发展。特别是跑步机，以其占用空间小，模拟跑步运动功能良好受到消费者的青睐。跑步机从70年代末80年代初台湾的SporSart、True、Johnson(后为中国产）、MagTonic、Pluse牌跑步机开始进入市场，其中的许多厂商是在为美国及英国厂商进行合作生产配件过程中，发展成自创品牌货贴牌生产（使用美、英产品商标，在台湾生产）。而在电动跑步机的制造商，我国直到90年代末才出现万年青、乔山、汇祥、百利恒等自主品牌，这是中国健身器材工业的真正开始，而我国跑步机也正是在这个时期发展起来的。

在我国跑步机的新兴阶段，我国已经借鉴了一些国外跑步机在设置方面上的经验，在控制系统和性能特点上的一定程度上的改进，克服了以往跑步机笨重的特点。综合分析可得出：当下跑步机的发展趋势主要是提高其跑步舒适体验，相关研发人员在不同跑步模式、跑步过程中下肢受力情况不同从而导致的不同跑步体验、感受方面大做文章。在增加跑步机的运动功能种类方面却鲜有涉足和建树。通过对机械方面的设计创新，增加运动种类，相信会在未来跑步机的发展中开辟出新的方向和道路。

三、本课题的研究内容和研究目的

要求基于单片机设计一个跑步机控制系统。该跑步机以单片机作为核心部件产生逻辑控制及信号，能够显示跑步者跑步的时间，跑步者跑步里程数及随意加

减跑步速度等功能。通过软件编程，易于实现功能的扩展。

在进行系统设计时，首先要学习STM32系列单片机的基本特性，从高性能、成本、功耗等各方面综合考虑并进行比较，选出相对成本低，功能全的单片机，说明在跑步机智能控制系统中选用STM32F103VB单片机的原因，并细致了解STM32F103VB单片机的特性，此单片机各方面相关内容，它如何实现对其他硬件的控制，并在此基础上进行系统硬件原理图的设计，还有各设备主程序流程图的设计，最终完成系统的总体设计，实现系统所需要的功能。

要求：

1. 调研市场上各类跑步机的主要功能；

2. 利用触摸屏设定速度、时间等参数；

3. 显示所跑公里数、时间等值；

在此基础上可进一步完成：

1. 随意加减速度；

2. 必要的安全措施；

四、本课题研究方案

对现有的跑步机进行分析、理解，剖析其组成要件及各部件的组成原理，为选取合理软件的开发方案做准备，在设计的过程中遇到了很多的困难，智能跑步机的设计，要求达到四个技术指标，跑步机开始工作时，能够显示跑步的时间，显示跑步的速度，显示跑步里程数。时间显示部分利用定时器计时实现。跑步速度通过控制电机转速，调速电机转速由单片机编程输出方波信号并利用继电器控制直流电机的通断来实现调速电机通电时间，进而控制调速电机的转速。设计速度可调节快慢，本设计中速度通过按键调节，每按一次加速或减速键，速度会有相应的提升或减慢。

跑步机系统主要由电源、STM32F103VB、输入部分、电机调速电路、显示电路等几部分组成。

硬件方面采用了ST公司的STM32F103VB作为系统的主控芯片,配合触摸屏、

电机等器件进行PCB设计。主控模块由STM32F103VB单片机来完成，输入及显示模块由液晶显示屏来实现，调速驱动模块由电机作业实现。

4.1硬件系统结构图

速度的控制主要是根据单片机内部编程来实现速度的变化，本设计可实现控制电机转速在一定范围内变化，进而使跑步机开始运作后的跑步带速度可以调节，即跑步者可以感受不同强度的跑步训练。设计的过程中电机速度与跑步带的速度纯在线性关系，因此可实现跑步带速度通过电机转速调节，本设计采用按钮调节，即加速与减速按钮，可调节跑步带速度的快慢，即满足了跑步机跑步速度可调的设计要求。

软件方面使用ST公司官方提供的固件库进行底层驱动设计,实现串口、触摸屏等驱动程序；进行RT-Thread嵌入式操作系统的移植；编写上层应用软件,实现对跑步机的智能控制功能。

整个软件系统有主程序、输入子程序、定时子程序、PWM 调速子程序、中断服务子程序、显示子程序等。主程序负责整个系统的协调和控制工作, 通过调用不同的子程序完成不同的工作。输入子程序通过采集触摸输入信息设定来控制电机转速及运作时间。定时子程序用来实现时间设定的功能。PWM 调速子程序通过控制SPGT62C19B芯片，实现直流电机的转动控制以及转速检测。显示子程序用于显示速度、里程等相关内容。软件程序均由C语言编制。

4.2软件系统流程图

五、工作进度安排

六、参考文献

[1] 喻金钱. STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用. [M]北京：清华大学出版社，2011年7月

[2] 李宁. 基于MDK的STM32处理器开发应用. [M]北京.北京航空航天大学出版社2008年10月

[3] 刘军. 例说STM32. [M]北京：北京航空航天大学出版社，2011年4月

[4] 蒙博宇. STM32自学笔记. [M]北京：北京航空航天大学出版社，2012年2月

[5] 陈启军. 嵌入式系统及其应用：基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发. [M]上海：同济大学出版社，2011年5月

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