基于AVR单片机的智能跑步机控制器设计

1 引言

电动跑步机是目前健身器材中的主流产品，它是通过电机带动跑步带使人以不同的速度被动地跑或走，在人体用力方面，比在地面上跑、走省去了一个蹬伸动作，可使人比在地面运动消耗更多能量。但由于其功能比较单一，缺乏娱乐性和交互性，长时间锻炼会使人感到枯燥乏味。在全社会崇尚健身就是生活质量的今天，传统电动跑步机这种单调重复运动已难以满足人们对健身品质的要求，而具有虚拟现实功能的智能跑步机，以计算机虚拟的模拟环境代替现实世界的真实环境，给人身临其境的沉浸感，增加了健身的乐趣，已成为目前的研究热点。本文将传统电动跑步机与虚拟现实技术相结合，研究并设计了具备传统电动跑步机各种健身模式且具有虚拟场景漫游功能的智能电动跑步机控制系统。系统通过上下位机的串行通信进行各种参数的实时传递，TFT液晶显示器显示友好的操作界面以及实时变化的运动和体能参数，采用触摸屏与薄膜按键结合的操作方式增加操作的灵活性，是虚拟现实、人机交互在健身器材方面应用的一个典型例子。

采用ATMEL公司的ATmega128作为跑步机的主控芯片，它具有先进的RISC架构，内部集成较大容量存储器，有丰富的管脚资源，驱动能力强，具有在系统编程功能，给控制系统的设计及程序的升级和维护提供了极大方便。

2 跑步机控制系统的结构及功能

2.1 系统结构

控制系统由上位机和下位机两大部分组成。上位机采用普通计算机，主要负责触摸屏控制、操作界面显示、多媒体播放和虚拟场景漫游。下位机以ATmega128为核心控制器，配合相应的外围电路，通过采集键盘输入、电机反馈、接收上位机信息等对跑步机进行直接控制。上下位机通过串行通信总线RS232进行通信。跑步机控制系统总体设计框图如图1所示，虚线框内是下位机控制器设计。

图1 跑步机控制系统框图

2.2 系统功能

下位机控制器通过变频器控制电机，增大了速度调节范围并且实现无级变速，速度调节范围为1.0~20.0km/h，坡度调节范围为-5%~15%。配有心率信号接收器，可以通过佩戴胸带或者手握跑步机两侧的手柄测试心率。有多种健身方式可供选择，包括普通健身、程序健身、模式健身、虚拟健身，并且具备多媒体播放功能。液晶显示器显示各种功能按键以及数字键盘，并配有功能提示，用户可以在触摸屏上操作，也可以直接操作跑步机面板上的薄膜按键。各种运动参数在液晶屏上实时显示。在虚拟现实健身模式下，跑步机运转速度驱动虚拟场景的变换和信息的更新，场景路面坡度变化控制跑步机升降，实现跑步台与虚拟场景路面状况同步。系统配有紧急停止开关，跑步机可迅速停止运转已确保安全。

3 跑步机控制器硬件设计

3.1 控制芯片

控制芯片采用ATMEL公司ATmega128单片机，它是基于AVR内核的低功耗CMOS8位单片机，单时钟周期指令，可达到接近1MIPS/MHz的性能，具有128KB在系统编程/应用程序（ISP/IAP）Flash程序存储器、4KB E²PROM、4KB SRAM、32个统一工作寄存器、53个通用I/O口、4个带有比较模式灵活的定时器/计数器、2个可编程的USART接口、可编程带内部振荡器的看门狗定时器等。利用它在系统编程功能可以方便的进行程序的修改调试，参数可保存在内置E²PROM中，定时器/计数器的相位频率可调PWM功能尤其适用于马达控制，内置看门狗定时器可以在程序异常时及时复位。

3.2 电压转换及掉电预检测电路

控制器电路板供电电压为12V，经MC7805转换为5V供单片机使用。电压转换及掉电预检测电路掉电预检测电路原理图如图2所示。

图2 电压转换及掉电检测电路

在系统意外断电时记录跑步台的坡度，保证再次上电时处于水平位置。采用ATmega128内部的模拟比较器，注意选择合适的电容和参考电压，以保证足够的参数写入时间。当模拟输入端AIN1的电压低于AIN0的电压2.5V时，即输入电压降到7.5V以下时，模拟比较器输出ACO置1，触发中断，此时跑步台的坡度值被写入单片机内部的E²PROM中。

3.3 PWM输出电路

利用ATmega128内部16位定时器/计数器应用中的相位频率可调PWM模式，产生50Hz的PWM波形，经过滤波和电平转换后输出到变频器。改变比较寄存器的数值可以得到不同的脉宽，实现对跑步机速度的控制。

3.4 开关量输入/输出电路

三路带光电隔离的开关量输入电路采集健身者在跑步台上的位置信号，并以电平形式输入单片机，据此判断健身者离控制台的远近实现自动调速。六路开关量输出电路中，四路通过继电器控制电机的升降来改变坡度，两路控制横流风扇的风量大小。

3.5 编码器信号输入电路

将转速传感器、心率接收装置输出的编码器脉冲信号经过电容滤波、74HC14整形，输入到