基于AVR单片机的智能跑步机控制器设计

单片机外部中断接口。

3.6 串口通信电路

单片机与PC机的通信采用RS-232C标准，此标准与单片机的TTL电平不兼容，采用MAXIM公司的MAX202进行电平转换，外部接0.1uF电容。单片机串行口的TXD、RXD 和GND经电平转换分别与计算机的RXD、TXD和SG相连，进行全双工通信。

3.7 矩阵式键盘电路

要实现开始、停止、暂停、速度加减、坡度加减、风扇控制、速度和坡度直选等功能需要大量按键，因此采用4×8矩阵式键盘。由于跑步过程中的摩擦会产生大量静电，健身者操作键盘时静电可能对电路造成破坏，除了在触摸键上加防护措施以外，在电路中加入TVS (瞬态电压抑制器) 二极管，由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。将TVS二极管正极接地，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压击穿或超额电流过热烧毁。

4 控制器软件设计

考虑到系统可移植性及便于维护和扩充，系统软件采用C语言编写。ImageCraft 的ICCAVR是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器（MCU）程序的工具，它是一个综合了编辑器和工程管理器的集成开发环境（IDE）。跑步机控制程序的编辑、编译均在ICCAVR中完成。

控制系统软件采用模块化设计思想，主要包括主程序、键盘处理程序、中断服务程序和通信程序。主程序逻辑为：控制器上电后首先读取E²PROM中保存的速度系数和坡度参数，实现开机复位和参数的初始化，然后进入主循环。

键盘处理程序采用定时扫描方法，每隔300ms使四行输出均为低电平，判断是否有键按下，若有，再将四行依次输出为低电平，同时读入列值保存到一数组中，用switch-case语句进行按键处理。速度和坡度加、减键若被检测到持续按下，则处理多次，实现速度和坡度的连续加减。有些功能键只处理一次就被锁定，例如开始键被检测到按下后置一个标志，直到该标志被清除再次按下才有效。将几个按键组合在一起可以实现特殊功能，例如速度和坡度的自动校正。

中断服务程序包括内部定时器中断、模拟比较器中断和外部中断。内部定时器中断服务程序主要负责健身时间计算、倒数计时、键盘的定时扫描、通信数据的定时发送等。模拟比较器触发中断后，关闭所有其它中断，将重要参数写入E²PROM中。外部中断服务程序主要负责脉冲信号计数和紧急停止。紧急停止接到最高优先级的外中断上，中断触发后迅速切断PWM输出。

实时显示的运动参数、来自计算机的命令等都是依靠全双工串口通信传递。通信协议制定也采用模块化的思想，不同的功能模块有各自的标志符号。通信协议定义如表1所示。按下电源键后下位机向上位机发出握手信息，上位机检验这一信息符合协议则向下位机反馈一条信息，建立通信。上位机通过串口获得跑步机的各种数据，用以更新虚拟场景画面与操作界面的信息和参数显示，并根据场景路面坡度变化通过串口通信控制跑步机的升降。主程序和通信程序流程图如图3、图4所示。

图3 主程序流程图

图4 通信子程序流程图

表1 通信协议定义

5 结论

本文介绍了采用ATmgega128单片机作为主控芯片的智能电动跑步机控制器设计，在实现跑步机各种功能的基础上很好地保证了运行的稳定性。针对采用上下位机控制的特点制定了其专用串行通信协议，确保控制的实时有效性。通过串行通信控制下位机实现了虚拟现实健身模式，避免了室内运动的单调乏味，增加了健身的乐趣，如配置立体显示设备更能增强沉浸感。在此基础上，可研究将上下位机整合，采用SOPC技术自行设计整个控制系统的板卡，这将大大降低成本并且使整机的稳定性有进一步的提高。

本文作者创新点：通过制定专用串行通信协议进行上下位机互动，实现了虚拟现实健身模式，增强了室内健身的乐趣。

参考文献

[1] Atmel Corporation. ATmega128 Datasheet[EB/OL]. http://www.atmel.com

[2] 马 潮. 高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上) [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004

[3] 谭浩强. C程序设计（第二版）[M]. 北京：清华大学出版社，2000

[4] 潘新民，王燕芳. 微型计算器控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004

[5] 洪家平. WINDOWS环境下PC机与单片机的通信[J]. 微计算机信息，2004年第3期，143-145.