一種基于單片機(jī)的發(fā)電跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　題目： 一種基于單片機(jī)的發(fā)電跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文將說明一種節(jié)能型的自發(fā)電式跑步機(jī)裝置，人在其上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以將自身跑步產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存以實(shí)現(xiàn)自發(fā)電。跑步時(shí)發(fā)出的電能經(jīng)過整流橋及穩(wěn)壓芯片后同時(shí)給單片機(jī)及其他設(shè)備供電，使用DHT11溫濕度傳感器及LCD1

2、602液晶顯示屏，霍爾測速傳感器等監(jiān)測當(dāng)前的溫濕度等跑步信息，并帶有可調(diào)節(jié)溫濕度聲光報(bào)警功能，從而為用戶在運(yùn)動(dòng)過程中營造一個(gè)更舒適的氛圍。</p><p>　　本設(shè)計(jì)相比較傳統(tǒng)的健身設(shè)備更加的綠色環(huán)保，裝置所需的電能都將由用戶自身產(chǎn)生，更加的符合當(dāng)前時(shí)代要求低碳、低污染的生活理念。</p><p>　　關(guān)鍵詞：跑步機(jī)；單片機(jī)；自發(fā)電；霍爾傳感器</p><p>&l

3、t;b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　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

4、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 w

5、et temperature sensor and LCD1602 LCD panel, Hall speed sensor and etc., various information during running, s</p><p>　　Compared with the traditional treadmills, this design is more eco-friendly, electrical

6、energy that the device required are self-generated, more in line with the modern living principle of low carbon emission and low pollution.</p><p>　　Key words: Treadmill;MCU;self-powered;Hall sensor</p>

7、;<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1課題研究背景1</p><p>　　1.2課題研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2設(shè)計(jì)研究方向3</p>

8、;<p>　　1.3課題研究內(nèi)容3</p><p>　　第二章 跑步機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.2穩(wěn)壓芯片及穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.3系統(tǒng)流程圖及工作原理7</p><p>　　第三章 硬件部分8</p&

9、gt;<p>　　3.1單片機(jī)與中斷系統(tǒng)8</p><p>　　3.2 LCD1602液晶顯示模塊10</p><p>　　3.3 DHT11溫濕度模塊13</p><p>　　3.4霍爾效應(yīng)傳感器測速模塊14</p><p>　　第四章 軟件部分17</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件模塊組

10、成17</p><p>　　4.2軟件模塊化編程方法17</p><p>　　4.2.1顯示模塊編程 18</p><p>　　4.2.2數(shù)據(jù)處理模塊編程18</p><p>　　4.2.3環(huán)境監(jiān)測模塊編程19</p><p>　　4.2.4聲光報(bào)警模塊編程20</p><p>　　

11、4.3軟件設(shè)計(jì)總流程圖21</p><p>　　4.4系統(tǒng)仿真調(diào)試22</p><p>　　第五章 總結(jié)24</p><p>　　5.1跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作總結(jié)24</p><p>　　5.2產(chǎn)品化設(shè)計(jì)的改進(jìn)24</p><p>　　5.3跑步機(jī)設(shè)計(jì)研究展望25</p><p>&l

12、t;b>　　結(jié)束語26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　附錄A 原理圖29</p><p>　　附錄B 實(shí)物圖30</p><p>　　附錄C 源程序

13、31</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1課題研究背景</b></p><p>　　據(jù)最新科學(xué)研究表明，現(xiàn)代社會(huì)人類使用的電能主要來自于這些發(fā)電方式：包括水力發(fā)電、火力發(fā)電、原子能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、化學(xué)能（電池）及光能（光電池與太陽能電池等）。其中煤電占比73%、（水電14

14、.6%、核電2.4%、氣電2.3%、其他7.7%），可見當(dāng)前大部分的電能都是通過火力發(fā)電產(chǎn)生的。 </p><p>　　火力發(fā)電是指通過可燃物體在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量熱能，再通過機(jī)械活塞裝置使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能繼而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。其除了發(fā)電效率高以外，有很多的缺點(diǎn)：首先，我國對于資源的需求在不斷增加，火力發(fā)電卻以一種不可再生的方式消耗能源，易造成由于資源匱乏而產(chǎn)生能源危機(jī)及生態(tài)上的嚴(yán)重破壞。其次由于發(fā)電后

15、的大量燃燒物產(chǎn)生于空氣中，雖經(jīng)過過濾但依然會(huì)嚴(yán)重的污染環(huán)境，造成粉塵懸浮，產(chǎn)生PM2.5等污染物而形成霧霾，嚴(yán)重的危害了人類的健康生活。故火力發(fā)電隨著科技的發(fā)展一定會(huì)慢慢的被摒棄。 </p><p>　　另一方面，隨著“養(yǎng)生”觀念的不斷滲透，越來越多人們逐漸認(rèn)識(shí)到健康的主要性，開始注重飲食與空氣環(huán)境，各類的健身器材銷量也在不斷增加。跑步機(jī)作為最重要的健身器材之一也不例外，據(jù)跑步機(jī)的市場調(diào)研表明，從銷售健身器材

16、的效益上來看，無論是國內(nèi)還是國外都有50%以上的金額消費(fèi)于跑步機(jī)。跑步機(jī)的使用方向上大體可分為家用或商業(yè)。調(diào)研分析跑步機(jī)的發(fā)展歷程曲線可以發(fā)現(xiàn)，需求量最大的是家用跑步機(jī)。其中美國跑步機(jī)年銷量約為300萬臺(tái)，韓國為100萬臺(tái)，而中國作為擁有13億人的人口大國，跑步機(jī)銷量卻只有約20萬臺(tái)，且跑步機(jī)的產(chǎn)量以每年超過25%的速度在不斷增長，可見未來的跑步機(jī)市場一定會(huì)有可觀的前景及巨大的經(jīng)濟(jì)利益。 </p><p>

17、　　現(xiàn)代的跑步機(jī)在運(yùn)動(dòng)中能夠監(jiān)測到運(yùn)動(dòng)者的跑步信息，比如運(yùn)動(dòng)的速度，路程與消耗的卡路里、溫濕度等等，卻鮮有可以智能控制溫濕度的現(xiàn)代跑步機(jī)。自發(fā)電跑步機(jī)可以通過單片機(jī)來設(shè)置溫濕度閥門，超出閥門設(shè)定的值后智能報(bào)警并驅(qū)動(dòng)繼電器控制當(dāng)前的溫濕度等，因此可以制造出一個(gè)更舒適的跑步氛圍，故研究這種集節(jié)能環(huán)保，監(jiān)測控制于一體的跑步機(jī)十分有必要。</p><p><b>　　1.2課題研究現(xiàn)狀</b><

18、;/p><p>　　1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　隨著我國工業(yè)科技水平的進(jìn)步與創(chuàng)新制造能力的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)健身器材在潛移默化的影響著人類的健康。在大街上隨處可見奔走于健身房，舞蹈班，瑜伽室等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的人們。而健身的效果很大程度上取決于在于運(yùn)動(dòng)過程中是否有合理的規(guī)劃及一個(gè)舒適的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，在老年健身器材廠上隨處可見機(jī)械式跑步機(jī)。</p><p>　　什么是

19、機(jī)械式跑步機(jī)呢？“機(jī)械式跑步機(jī)”顧名思義即為在跑步過程中主要靠人力而運(yùn)動(dòng)，并不消耗電能。這種跑步結(jié)構(gòu)簡單不易出故障，但是它由于機(jī)械結(jié)構(gòu)單一，人們是在主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)而并不是由于履帶自身的運(yùn)轉(zhuǎn)被動(dòng)跟隨運(yùn)動(dòng)，且在跑步過程中并沒有實(shí)時(shí)參數(shù)顯示當(dāng)前的跑步信息，不能很好的控制運(yùn)動(dòng)的量與力度，運(yùn)動(dòng)過程中就很容易產(chǎn)生疲勞感與厭倦情緒。</p><p>　　圖1.1 機(jī)械式跑步機(jī)示意圖</p><p>　　如

20、圖1.1所示，機(jī)械式跑步機(jī)也正是由于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，用戶在跑步中可隨意的調(diào)整跑步的速度，通過自身的情況想快就快，想慢就慢，想停下來休息也可隨意的停止。這樣如果在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)了例如肌肉拉傷，小腿抽筋等緊急情況人們也可隨時(shí)停下來，不易因?yàn)殡妱?dòng)跑步機(jī)那樣的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)無法隨時(shí)停止而引發(fā)安全事故，這是機(jī)械式跑步機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　現(xiàn)代的跑步機(jī)大都指電動(dòng)跑步機(jī)，這類跑步機(jī)也是健身房里的主流設(shè)備。跑步機(jī)使用電能帶動(dòng)履帶運(yùn)

21、動(dòng)，人在上面因?yàn)槁膸н\(yùn)動(dòng)而自身被動(dòng)跟隨運(yùn)動(dòng)，可隨時(shí)監(jiān)測當(dāng)前的各類狀況信息并顯示在屏幕上，這樣的跑步機(jī)不易使人產(chǎn)生疲倦感，在減肥，健身方面發(fā)揮著重要的作用。</p><p>　　但由于電動(dòng)機(jī)功率所需消耗電能十分巨大，家用電動(dòng)跑步機(jī)的用電功率在 1.5KW-2.5KW之間，若每天運(yùn)動(dòng)平均按3小時(shí)算，每個(gè)月消耗的電能約為150度-250度電，每個(gè)月產(chǎn)生的電費(fèi)能達(dá)到75-125元，且因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴并不經(jīng)濟(jì)

22、環(huán)保，所以不適用于每個(gè)家庭與地域。</p><p>　　雖然電動(dòng)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)不易產(chǎn)生疲倦感，但是考慮到造價(jià)與成本，很多地方都無法普及電動(dòng)跑步機(jī)，且機(jī)械式跑步機(jī)零件較少，結(jié)構(gòu)簡單，相比電動(dòng)跑步機(jī)更加的穩(wěn)定安全。在加裝了自發(fā)電裝置后也可實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)信息，綜合考慮創(chuàng)新與環(huán)保安全等因素，本次設(shè)計(jì)選用機(jī)械式跑步機(jī)。</p><p>　　1.2.2設(shè)計(jì)研究方向</p><p&

23、gt;　　節(jié)能型機(jī)械式跑步機(jī)是在傳統(tǒng)的跑步機(jī)的基礎(chǔ)上加裝一些裝置，比如發(fā)電裝置，履帶、蓄電池、減速齒輪等。以法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)中磁生電的原理為基礎(chǔ)，通過齒輪履帶使跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，在發(fā)電裝置內(nèi)由于磁通量的變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，再通過導(dǎo)線與導(dǎo)體連接與裝置形成閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。</p><p>　　此時(shí)產(chǎn)生的交流電并不穩(wěn)定，搭建全橋整流濾波電路及LM317可調(diào)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓為14V向12V蓄

24、電池充電，蓄電池儲(chǔ)存并緩沖電能。使用時(shí)接入LM7805將電壓穩(wěn)壓為5V供給單片機(jī)。這樣即使在運(yùn)動(dòng)過程中想休息，有蓄電池做緩沖單片機(jī)也不會(huì)因?yàn)闆]有電能供給而斷電。合理的儲(chǔ)存電能就不會(huì)損壞單片機(jī)并能穩(wěn)定的使用自發(fā)電能。單片機(jī)作為邏輯主控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。</p><p><b>　　1.3課題研究內(nèi)容</b></p><p><b>　　主要的研究內(nèi)容

25、：</b></p><p>　　1）相比一般的機(jī)械或電動(dòng)跑步機(jī)，本設(shè)計(jì)中的自發(fā)電裝置可以使得用戶在跑步過程中自身產(chǎn)生電能，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路后儲(chǔ)存于蓄電池后并用于整個(gè)單片機(jī)或其他用電設(shè)備的供電。</p><p>　　2）可以按鍵修改溫濕度上下限閥門設(shè)置的數(shù)值及開關(guān)，單片機(jī)在超出設(shè)置溫濕度上下限度閥門后使蜂鳴器報(bào)警，并點(diǎn)亮溫度或濕度異常狀態(tài)LED指示燈，控制出一個(gè)舒適的運(yùn)動(dòng)環(huán)境

26、。</p><p>　　3）跑步時(shí)的各類信息的顯示，包括用戶跑步速度、里程、已跑步時(shí)間、已消耗卡路里、指示燈及當(dāng)前的溫度濕度等信息，并有用戶交動(dòng)界面例如體重設(shè)置，溫濕度報(bào)警控制及數(shù)據(jù)清零等功能，方便用戶根據(jù)自身情況做運(yùn)動(dòng)統(tǒng)籌安排。</p><p>　　本跑步機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示屏作顯示面板，DHT11溫濕度傳感器用來檢測當(dāng)前溫濕度?；魻杺鞲衅鳒y出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速并根據(jù)齒輪半徑、

27、傳動(dòng)比參數(shù)轉(zhuǎn)換為用戶的跑步速度，使用單片機(jī)自帶的12MHZ晶振及定時(shí)器控制跑步時(shí)間及路程等信息的計(jì)算。 </p><p>　　第二章 跑步機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1發(fā)電裝置方案設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2.1 發(fā)電機(jī)發(fā)電原理圖</p><p>　　根據(jù)能量守恒原理，人體的動(dòng)能可以變?yōu)殡娔?，通過人體在跑步機(jī)

28、上跑步帶動(dòng)履帶產(chǎn)生動(dòng)能，履帶運(yùn)轉(zhuǎn)就可以帶動(dòng)發(fā)電裝置，發(fā)電裝置內(nèi)置磁場與線圈繞組，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理通過線圈中磁通量的變化在閉合回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢及感應(yīng)電流，將其引出就可產(chǎn)生不穩(wěn)定的交流電。如圖2.1為發(fā)電機(jī)發(fā)電原理。</p><p>　　圖2.2 跑步機(jī)與發(fā)電機(jī)銜接圖</p><p>　　節(jié)能式發(fā)電跑步機(jī)是在交流發(fā)電機(jī)發(fā)電的基礎(chǔ)上加裝齒輪履帶等將發(fā)電機(jī)軸承與跑步機(jī)的履帶主軸相連接

29、，通過減速齒輪等的穩(wěn)定后用戶在跑步過程中就可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的搖桿運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　如圖2.2所示:跑步機(jī)的軸承以齒輪及履帶的方式連接在發(fā)電機(jī)上，人在3上跑動(dòng)就可帶動(dòng)履帶2運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)軸承5與發(fā)電裝置7運(yùn)轉(zhuǎn)。也可將發(fā)電裝置安裝在1處，更方便液晶模塊在8處的接線顯示。通過跑步機(jī)軸承5的周長設(shè)定與履帶的傳動(dòng)比與齒輪半徑就可確定出跑過的路程，根據(jù)霍爾或光電傳感器測得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以齒輪間的傳動(dòng)比就能推得實(shí)際跑步過程中

30、的速度并轉(zhuǎn)化為KM/H單位顯示在LCD上，單片機(jī)根據(jù)速度及定時(shí)器設(shè)置的定時(shí)就可算出路程等其他數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)總示意圖</p><p>　　如上圖2.3總示意圖：人在跑步過程中帶動(dòng)了發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，發(fā)電裝置集成了整流橋與電容，LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，調(diào)節(jié)電位器使得電壓大約為14V為12V蓄電池充電，蓄電池儲(chǔ)能后供電于主控部分帶有LM7805穩(wěn)壓的單片機(jī)。單片機(jī)檢

31、測到溫度設(shè)置超過閥門限度后自動(dòng)開啟相應(yīng)的溫度或濕度狀態(tài)異常LED指示燈及蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，達(dá)到智能監(jiān)測控制舒適度的目的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)將主要對傳統(tǒng)滾筒履帶型機(jī)械式跑步機(jī)進(jìn)行加裝處理，若直接將跑步機(jī)大鏈輪接自發(fā)電機(jī)的手搖桿軸上，則可能由于轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致發(fā)電電壓過低，故使用大齒輪帶動(dòng)小齒輪的方式，大齒輪主動(dòng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)履帶傳遞動(dòng)能給小齒輪，小齒輪再來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)搖桿軸運(yùn)轉(zhuǎn)，只要根據(jù)人的跑步速度范圍及公式計(jì)算線

32、圈匝數(shù)及齒輪比，發(fā)出的交流電電壓將不會(huì)過小也不會(huì)過大，穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。</p><p>　　2.2穩(wěn)壓芯片及穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中的電源是由于人體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)的過程中人體不可能以一個(gè)恒定的速度運(yùn)動(dòng)，所以人體發(fā)出的電能是不規(guī)則且在不停變化的交流電，在本次設(shè)計(jì)中要使得發(fā)出為電壓大小穩(wěn)定的直流電，就需使用整流穩(wěn)壓電路并使用蓄電池電池來做電能儲(chǔ)

33、存緩沖，在穩(wěn)壓芯片上選擇很多，常見的穩(wěn)壓芯片有7812、7912、7809等，考慮到要將電能儲(chǔ)存在12V蓄電池中 ，12VNP蓄電池滿電電壓可達(dá)14.5V，故穩(wěn)壓范圍大約應(yīng)在14-15V，選用7912這類固定值穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)壓器不能滿足要求。</p><p>　　LM317作為一只在各類穩(wěn)壓電路中經(jīng)常使用的經(jīng)典三端式可調(diào)集成穩(wěn)壓器，調(diào)壓范圍1.2-37V，最大負(fù)載輸出1.5A，因?yàn)槠渚邆漭敵鲭妷嚎烧{(diào)的優(yōu)勢，而且芯片

34、內(nèi)通常含有過流與過熱狀態(tài)保護(hù)電路，調(diào)壓由可以滑動(dòng)變化的電位器RP與定值電阻R組成，輸出電壓公式VOUT=1.25*（1+RP/R），所以選用LM317為穩(wěn)壓芯片非常合適。</p><p>　　圖2.4 LM317穩(wěn)壓部分電路圖</p><p>　　如圖2.4，使用時(shí)先搭建全波橋式整流濾波電路，利用D1-D4四個(gè)IN4007整流二極管的單向?qū)ㄐ酝瓿葾C/DC轉(zhuǎn)變過程，此時(shí)電流為脈動(dòng)直流電

35、，使用C2、C3、C4電容濾波處理初步穩(wěn)壓，D6處的IN4001二極管防止發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池時(shí)反向放電，LM317穩(wěn)壓芯片再將電壓穩(wěn)定到用戶想要的值得到穩(wěn)定電壓，調(diào)節(jié)LM317上的電位器就可以調(diào)節(jié)電壓至14V以給蓄電池充電。</p><p>　　如下圖2.5所示，由于蓄電池儲(chǔ)存的12V電能不能直接供給單片機(jī)使用，還需使用穩(wěn)壓范圍寬廣性能優(yōu)異的LM7805芯片，7805穩(wěn)壓范圍為7-36V，壓差最小為+2V，最大

36、輸出電流1A，即使將經(jīng)317穩(wěn)壓后的14V發(fā)電機(jī)電壓直接加至7805上也能正常工作。使用7805將12V電壓進(jìn)行二次穩(wěn)壓至5V以保證單片機(jī)電壓穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.5 LM7805穩(wěn)壓模塊原理圖</p><p>　　使用時(shí)在發(fā)電機(jī)正極處接入一只整流二極管以防止發(fā)電電壓過低時(shí)蓄電池對發(fā)電機(jī)反向放電，當(dāng)用戶在跑步機(jī)上由于速度不夠或動(dòng)作停止時(shí)蓄電池將作為儲(chǔ)備電源為單片機(jī)負(fù)載供電。當(dāng)

37、用戶發(fā)電電壓充沛時(shí)發(fā)電機(jī)將主要為單片機(jī)供電及為蓄電池充電，只要發(fā)電機(jī)性能優(yōu)秀發(fā)電電流夠大，發(fā)電機(jī)將提供少量電流來補(bǔ)償蓄電池局部作用的損耗并主要為負(fù)載供電，使蓄電池經(jīng)常保持在充電滿足狀態(tài)但又不至過充電。</p><p>　　這種使用蓄電池作為備用緩沖儲(chǔ)能電容的方式為“半浮充”方式，這種方式并不會(huì)損壞電池的壽命，相反其壽命一般較全充放工作方式的蓄電池要長。此時(shí)單片機(jī)、蓄電池與發(fā)電機(jī)總體呈并聯(lián)狀態(tài)。</p>

38、<p>　　2.3系統(tǒng)流程圖及工作原理</p><p>　　圖2.6 系統(tǒng)硬件總流程圖</p><p>　　系統(tǒng)硬件總流程框圖如圖2.6示。當(dāng)用戶運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的電能先經(jīng)集成LM317穩(wěn)壓芯片的整流穩(wěn)壓電路整流成為穩(wěn)定的直流電，調(diào)節(jié)電壓后先使用萬用表確定穩(wěn)壓數(shù)值為14V后再給蓄電池充電，蓄電池給帶LM7805穩(wěn)壓器的STC89C52單片機(jī)供電保證正常使用，單片機(jī)再驅(qū)動(dòng)語音或其他

39、用電設(shè)備。</p><p><b>　　第三章 硬件部分</b></p><p>　　3.1單片機(jī)與中斷系統(tǒng)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中采用經(jīng)典且穩(wěn)定耐用的STC89C52單片機(jī)作為邏輯主控制器，STC89C52單片機(jī)是51單片機(jī)的升級(jí)版，是一種低功耗，高性能的COMS8位微控處理器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，MAX810復(fù)位電路，采用

40、PDIP封裝，。它與51單片機(jī)的指令完全兼容，不同的是C52單片機(jī)的EEPROM為4KB，擁有8KB的可反復(fù)擦寫FALSH ROM，這使得更大的程序也能夠?qū)懭雴纹瑱C(jī)，且相比51單片機(jī)多出了一個(gè)定時(shí)器，使用時(shí)只要將優(yōu)先級(jí)及延時(shí)設(shè)置正確多個(gè)定時(shí)器就可以同時(shí)工作且不會(huì)互相影響，RAM方面相比51單片機(jī)也多出了128Byte，速度響應(yīng)更加迅速。</p><p>　　圖3.1 STC89C52RC引腳圖</p>

41、;<p>　　如上圖3.1所示STC89C52單片機(jī)的引腳圖，其中VCC為+5V電源，GND為接地線，擁有32根可編程輸入/輸出引腳，4組8位的I/O口分別是P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8根引腳，共計(jì)32根可編程雙向I/O口，下圖3.2為單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖，包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、MCU和IO設(shè)備及電源。</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖</p><p&g

42、t;　　單片機(jī)內(nèi)部中斷是單片機(jī)技術(shù)中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，設(shè)計(jì)中若想使得時(shí)間、路程準(zhǔn)確計(jì)算并變化，一種方案是使用類似于DS1302的RTC時(shí)鐘芯片，晶振頻率32.76KHZ，但是這種方案較為繁瑣，還需外加紐扣電池來給時(shí)鐘芯片供電。另一種方案是使用單片機(jī)內(nèi)置的12MHZ晶振定時(shí)器來產(chǎn)生準(zhǔn)確時(shí)間，這種方案計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)精度也非常高，且無需外加電池即可使用，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的多方面考慮，并不需要RTC時(shí)鐘芯片，使用定時(shí)器即可準(zhǔn)確的計(jì)算時(shí)間、路程等數(shù)據(jù)。

43、 </p><p>　　圖3.3 中斷系統(tǒng)的內(nèi)部原理圖 </p><p>　　如圖3.3所示，本次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)所有參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化都是由于中斷引起的，51單片機(jī)中有5種中斷方式，分別為外部中斷0與1，定時(shí)器0與1及串行口中斷，在本次設(shè)計(jì)中我們只使用定時(shí)器0及外部中斷0的下降沿觸發(fā)方式就可以滿足所有的功能要求且不會(huì)造成中斷沖突。</p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器是利用

44、單片機(jī)晶振產(chǎn)生準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的一種方式，打開EA總中斷允許與ET0中斷允許及開始位TR0后開始計(jì)時(shí)，在程序運(yùn)行過程中定時(shí)器與主函數(shù)同時(shí)運(yùn)行并在定時(shí)器初值的基礎(chǔ)上一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)累加1，程序在運(yùn)行過程中只要判斷定時(shí)器的值已經(jīng)溢出即進(jìn)入定時(shí)器中斷函數(shù)，直到執(zhí)行中斷函數(shù)完畢后又回到剛才進(jìn)入中斷的程序處繼續(xù)執(zhí)行程序，等待下一次中斷并重復(fù)這個(gè)過程。</p><p>　　設(shè)計(jì)中使用的12MHZ晶振機(jī)器周期為1us，設(shè)置中斷初值為溢出

45、位減1000并轉(zhuǎn)化為16位賦值定時(shí)器的高八位和低八位，得到周期為1MS的中斷計(jì)時(shí)，在主程序中進(jìn)行變量判斷就可以準(zhǔn)確的計(jì)算各種長度的時(shí)間。</p><p>　　圖3.4 單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如圖3.4所示，在本次設(shè)計(jì)中測速模塊使用霍爾磁效應(yīng)傳感器，當(dāng)INT0檢測到下降沿脈沖時(shí)觸發(fā)中斷，外部中斷函數(shù)內(nèi)對變量進(jìn)行計(jì)數(shù)+1，定時(shí)器每秒統(tǒng)計(jì)變量數(shù)并及時(shí)清零以計(jì)算速度，累加路程及

46、卡路里，需要注意的是單片機(jī)在浮點(diǎn)數(shù)與整數(shù)運(yùn)算時(shí)必然會(huì)有誤差，軟件調(diào)試過程中采用了浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換浮點(diǎn)數(shù)及四舍五入的方法已經(jīng)盡可能的減少了誤差，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算。</p><p>　　3.2 LCD1602液晶顯示模塊</p><p>　　考慮到本次設(shè)計(jì)顯示信息較多，若使用傳統(tǒng)數(shù)碼管顯示內(nèi)容將無法直觀全，且無論共陰極或共陽極數(shù)碼管多路顯示時(shí)需動(dòng)態(tài)掃描，對單片機(jī)的處理性能影響很大，故應(yīng)選用液晶屏

47、顯示模塊。液晶顯示型號(hào)有例如1601,0801,0802等，其中前兩位數(shù)字一般表示液晶顯示的長度單位，比如0802即為橫向8個(gè)字符豎向2排字符，1601為橫向16個(gè)顯示字符，豎向1排。本次設(shè)計(jì)中我們采用常用的自帶背光的1602液晶顯示器，它的橫向顯示內(nèi)容為16個(gè)字符，豎向2排字符。 </p><p>　　圖3.5 LCD1602管腳圖</p>

48、<p>　　如上圖3.5所示其內(nèi)置16個(gè)管腳，其中VSS為電源地,VDD為+5V電源正接入口，V0處通常接入10K的電阻調(diào)節(jié)亮度，DB0-DB7為數(shù)據(jù)傳輸位，A極和K極分別為背光正極和負(fù)極，但編寫程序時(shí)只用其中的三個(gè)（RS寄存器選擇、R/W讀寫信號(hào)線與LCD EN使能端）。</p><p>　　圖3.6 1602電位器調(diào)節(jié)圖</p><p>　　如圖3.6所示：LCD1602液

49、晶通?？梢越尤胍粋€(gè)10K電阻的電位器調(diào)整亮度與對比度。但為了節(jié)省電能可以使用軟硬件結(jié)合的方法自動(dòng)開啟及喚醒液晶背光，常用的方法可以在背光正極處接入一只PNP型常開三極管，使用I/O口控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)閉及軟件編寫就可控制LCD的背光延時(shí)熄滅，或者輸出脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)PWM矩形波的占空比或頻率也可調(diào)節(jié)亮度。但是最簡單的方法是直接將背光K極連接至單片機(jī)的一個(gè)可編程I/O口，當(dāng)I/O口置位于高電平時(shí)背光熄滅，低電平時(shí)打開，通過軟

50、件就可以設(shè)置一定延時(shí)后自動(dòng)熄滅，在用戶有操作時(shí)自動(dòng)打開，這樣更加符合本設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保的理念，在本次設(shè)計(jì)中我們設(shè)置了延時(shí)60S自動(dòng)關(guān)閉背光。</p><p>　　圖3.7 內(nèi)部RAM結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖3.7為液晶內(nèi)部RAM的映射圖，在進(jìn)行寫COM指令時(shí)地址從0x00至0x67，而初始化后1602顯示地址范圍只能從0x00到0x0F與0x40至0x4F,進(jìn)行滾屏移動(dòng)時(shí)正是利用了這

51、一點(diǎn)，移動(dòng)LCD的屏幕顯示起始地址位置并設(shè)置一定的延時(shí)函數(shù)就可做出動(dòng)態(tài)位移的顯示效果。1602字符液晶顯示時(shí)與ASCII字符表是對應(yīng)的，在進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)命令時(shí)使用兩位16進(jìn)制數(shù)字來表示字符或數(shù)字，對應(yīng)的ASCII碼為顯示內(nèi)容。</p><p>　　圖3.8 1602寫操作時(shí)序圖</p><p>　　如圖3.8所示，在使用LCD1602時(shí)，有讀與寫操作兩個(gè)時(shí)序，通常只需按照時(shí)序圖進(jìn)行寫操作即

52、可驅(qū)動(dòng)液晶，在進(jìn)行寫指令時(shí)，需要把RS設(shè)置于低電平，RW設(shè)置于低電平，將數(shù)據(jù)由P0口傳送到數(shù)據(jù)口D0-D7，寫入指令時(shí)給E引腳產(chǎn)生一個(gè)高脈沖即可。在進(jìn)行寫數(shù)據(jù)時(shí)，把RS置為高電平，RW置為低電平，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，同樣為E引腳產(chǎn)生一個(gè)高脈沖就可寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.3 DHT11溫濕度模塊</p><p>　　DHT11作為一款溫濕度傳感器，并不需要額外的ADC進(jìn)行

53、模數(shù)轉(zhuǎn)換，是一款內(nèi)置已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的集成傳感器。含有的傳感器包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件，高性能8位單片機(jī)。使用DHT11時(shí)需遵循主從結(jié)構(gòu)通訊關(guān)系，只有當(dāng)主機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)從機(jī)才會(huì)應(yīng)答傳輸數(shù)據(jù)，DHT11測溫范圍為0-50℃，測濕范圍20%-90%RH，誤差分別是+-2℃和+-5%RH，故使用時(shí)不同于DS18B20須精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，但是作為一款復(fù)核數(shù)字溫濕度傳感器且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度十分快，性價(jià)比已經(jīng)非常高。</p>&

54、lt;p>　　圖3.9 DHT11典型電路圖</p><p>　　如圖3.9所示，DHT11與DS18B20類似，是通過單總線與MCU通訊的，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只要一根DATA線就可一次傳輸40位數(shù)據(jù)，高位數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，其數(shù)據(jù)格式為濕度整數(shù)與小數(shù)數(shù)據(jù)+溫度整數(shù)與小數(shù)數(shù)據(jù)+校驗(yàn)位，其中每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)都為8bit，在本次設(shè)計(jì)使用了外部中斷0及定時(shí)器0中斷。</p><p>　　DHT11對時(shí)序圖

55、程序要求十分嚴(yán)格，若當(dāng)其進(jìn)行主從機(jī)通訊時(shí)發(fā)生了中斷，數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)被打亂，故當(dāng)MCU與DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)每次傳輸數(shù)據(jù)后都應(yīng)判斷8bit校驗(yàn)位是否完整，如果完整則保留數(shù)據(jù)否則就舍棄數(shù)據(jù)等待下一次傳輸。需要注意的是該傳感器上電后需要1S的穩(wěn)定時(shí)間，此時(shí)不能進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該為其預(yù)留5S的緩沖時(shí)間。</p><p>　　圖3.10 DHT11時(shí)序圖</p><p>　　如

56、圖3.10所示，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)總線空閑狀態(tài)始終為高電平，傳輸前主機(jī)先把總線拉低大于18ms來等待DHT11響應(yīng)，DHT11檢測到開始信號(hào)后開始等待開始信號(hào)的結(jié)束并發(fā)送80us的低電平響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后延時(shí)20-40us后讀取其響應(yīng)信號(hào)并由上拉電阻拉高總線。</p><p>　　當(dāng)檢測到總線為低電平時(shí)說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，把總線拉高至80us傳輸數(shù)據(jù)，每組傳輸數(shù)據(jù)以50us低電平間隙發(fā)送，數(shù)據(jù)為0

57、或1由高電平的時(shí)間長短決定，直至傳輸完最后一組數(shù)據(jù)后上拉電阻拉高總線使其進(jìn)入空閑狀態(tài)。</p><p>　　3.4霍爾效應(yīng)傳感器測速模塊</p><p>　　霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作出的一種磁場傳感器，是1879年霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，利用這一現(xiàn)象制成了各種霍爾元件。在本次設(shè)計(jì)中測速為重中之重，也是計(jì)算卡路里、路程等參數(shù)的數(shù)據(jù)來源。故測速一定要準(zhǔn)確并契合實(shí)物的設(shè)計(jì)。去除一些不

58、精確的常規(guī)測速方式后在測速模塊上的選擇有以下兩個(gè)方案：</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　使用對射極光電碼盤測速，如圖3.11所示：該方案使用編碼器組成光電脈沖式測速傳感器，在光電編碼器測量過程中，光柵盤與發(fā)電機(jī)主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，光電光敏檢測裝置將輸出若干個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)單片機(jī)測量出該信號(hào)的每秒脈沖數(shù)便可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。比如若編碼數(shù)為30個(gè)

59、，時(shí)間T為一個(gè)接收脈沖周期，INT接收到的脈沖數(shù)為N,則轉(zhuǎn)速=N/（T*30）*60=2N/T（r/min）。</p><p>　　該方案雖然精度較高，但有一個(gè)很大的缺陷就是裝置體積大，安裝在電動(dòng)機(jī)上空間足夠，但若安裝在發(fā)電機(jī)上因?yàn)辇X輪與發(fā)電機(jī)之間的嚙合實(shí)際空間十分狹小，安裝將十分困難。</p><p>　　圖3.11 光電編碼器測速原理圖</p><p><

60、;b>　　方案二：</b></p><p>　　使用霍爾傳感器測速，如圖3.11，給Z軸方向上加磁場強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，IC方向?yàn)橥ㄟ^半導(dǎo)體薄片的電流，則在XYZ三維空間中會(huì)產(chǎn)生垂直于IC與磁場方向的感應(yīng)電勢差UH，這個(gè)現(xiàn)象的產(chǎn)生即為霍爾效應(yīng)。</p><p>　　圖3.12 霍爾效應(yīng)原理圖</p><p>　　如圖3.13，該方案利用霍爾效應(yīng)與

61、集成電路技術(shù)相結(jié)合的磁敏傳感器，它能夠感知與磁信息有關(guān)的變量并輸出不同脈沖信號(hào)，當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器時(shí)傳感器輸出高電平，遠(yuǎn)離時(shí)輸出低電平，傳感器將接受到的高低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU能識(shí)別的TTL電平，使用時(shí)傳感器接至外部INT0口，設(shè)置工作方式為下降沿觸發(fā),中斷函數(shù)內(nèi)設(shè)置累加變量，定時(shí)器定時(shí)對變量進(jìn)行計(jì)算并清零就可以算出轉(zhuǎn)速進(jìn)而轉(zhuǎn)化為速度及里程。</p><p>　　圖3.13 霍爾傳感器測速原理圖</p>

62、;<p>　　無論是霍爾測速還是對射極光電碼盤測速的精度都可以達(dá)到要求，但是綜合考慮到發(fā)電機(jī)之間還有減速齒輪，安裝空間并不適宜用光電碼盤測速，我們使用第二種霍爾傳感器測速方法，安裝時(shí)十分簡單，只需將磁鐵塊吸附在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪上，設(shè)置傳動(dòng)比及齒輪半徑就可將速度轉(zhuǎn)換為KM/H的實(shí)時(shí)速度并顯示出來。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用A1344E-402型號(hào)大芯片高靈敏度的霍爾傳感器?？紤]到跑步時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度一

63、般不會(huì)大于100R/S，轉(zhuǎn)速不高的情況下磁極數(shù)目無需過多測量就足夠精準(zhǔn)，而無論磁鐵數(shù)目是多少只要當(dāng)每個(gè)磁鐵都產(chǎn)生了一次脈沖信號(hào)后即認(rèn)為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。</p><p>　　比如當(dāng)磁鐵數(shù)目為10個(gè)時(shí)，Rs=(K/10)/T,在本設(shè)計(jì)中T為1S，K為一個(gè)周期內(nèi)接收到的累加脈沖信號(hào)，即Rs=K/10（R/S），換算成RPM（轉(zhuǎn)速/分鐘）=（K/10）*60。</p><p><b>　　

64、第四章 軟件部分</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件模塊組成</p><p>　　本設(shè)計(jì)軟件程序部分使用Keil uVision4完成編譯調(diào)試。使用語句明了，邏輯運(yùn)算清晰的C語言設(shè)計(jì)完成各個(gè)模塊程序功能的實(shí)現(xiàn)及互相結(jié)合。程序主要包括各硬件模塊初始化部分、數(shù)據(jù)監(jiān)測及計(jì)算并顯示部分、溫濕度報(bào)警部分和用戶互動(dòng)控制界面部分。</p><p>　　圖4.

65、1 系統(tǒng)軟件功能框圖</p><p>　　如圖4.1，本設(shè)計(jì)中軟件部分為重中之重，若想使得計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，設(shè)計(jì)軟件的算法就必須面面俱到的考慮，單片機(jī)對所有1以下的整型數(shù)都會(huì)舍棄小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字，比如0.8并不等于1而是等于0。所以在設(shè)計(jì)軟件方面，速度的變量準(zhǔn)確度將直接影響著其他例如路程、卡路里計(jì)算的精準(zhǔn)度。</p><p>　　根據(jù)調(diào)研市場上電動(dòng)跑步機(jī)上的面板參數(shù)，速度顯示通常不為M/

66、S而是KM/H，卡路里顯示通常都為大卡即千卡（Kcal），所以在設(shè)計(jì)軟件時(shí)利用浮點(diǎn)數(shù)累加轉(zhuǎn)換浮點(diǎn)數(shù)的方式來減少誤差。</p><p>　　設(shè)計(jì)思路是將速度首先轉(zhuǎn)換為兩個(gè)獨(dú)立的變量分別是M/S的浮點(diǎn)數(shù)及KM/H的浮點(diǎn)數(shù)，然后在每秒中斷時(shí)用對M/S浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)算路程，最后設(shè)置一個(gè)整型速度及整型路程來接收浮點(diǎn)數(shù)KM/H速度及路程并顯示出來，這樣浮點(diǎn)數(shù)的精度將很大程度的得以保留，使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。</p&g

67、t;<p>　　卡路里的算法與體重和距離（公里）有關(guān)，故還需設(shè)計(jì)用戶按鍵體重輸入程序。由于顯示的內(nèi)容還包括溫濕度，所以采用了動(dòng)態(tài)顯示的方式循環(huán)顯示溫濕度及路程和卡路里變量，也可通過按鍵控制關(guān)閉循環(huán)顯示，使得本設(shè)計(jì)各個(gè)方面都更顯人性化。</p><p>　　4.2軟件模塊化編程方法</p><p>　　在進(jìn)行軟件編程時(shí)對定時(shí)器中斷的初值賦值尤為重要，各模塊間監(jiān)測速度與路程等變量

68、的延時(shí)設(shè)置不能太長也不能太短，太長的話變化不夠明顯，太短了又耗費(fèi)單片機(jī)性能且由于變化太快易造成觀看者視覺疲勞，還會(huì)在當(dāng)跑步者速度太慢時(shí)造成脈沖丟失而LCD顯示紊亂。</p><p>　　經(jīng)過市場調(diào)研后結(jié)合跑步者運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)定時(shí)器檢測周期為1ms，顯示周期為1s，這樣既不會(huì)由于顯示太快使得單片機(jī)負(fù)載過重，也不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失從而精度不夠，觀測效果也將更加明了舒適。</p><p>　　4.2

69、.1顯示模塊編程</p><p>　　圖4.2 LCD液晶顯示流程圖</p><p>　　如圖4.2所示，當(dāng)單片機(jī)打開電源后，軟件將首先對LCD液晶進(jìn)行初始化，并寫入歡迎語句以便測試液晶顯示狀況，然后顯示體重設(shè)置界面，用戶只有對體重進(jìn)行調(diào)節(jié)并確認(rèn)后才會(huì)進(jìn)入主界面。在主界面中LCD液晶將循環(huán)的檢測指令并顯示，當(dāng)用戶有按鍵介入時(shí)LCD很快的完成清屏初始化及改變相應(yīng)的寫入地址和指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交

70、互。 </p><p>　　4.2.2數(shù)據(jù)處理模塊編程</p><p>　　如圖4.3所示，當(dāng)霍爾傳感器檢測到有磁鐵靠近并遠(yuǎn)離后將發(fā)送一個(gè)下降沿脈沖信號(hào)給INT0，定時(shí)器每秒檢測INT0的脈沖信號(hào)數(shù)并及時(shí)清零，如果檢測到在一周期為脈沖數(shù)為0則表明跑步動(dòng)作沒有開始，這種測速方法為周期計(jì)數(shù)法。</p><p>　　此時(shí)LCD液晶上的路程、卡路里、跑步時(shí)間等顯示將不會(huì)變

71、化，直至在某個(gè)定時(shí)周期內(nèi)檢測到了脈沖數(shù)不為0，表明跑步動(dòng)作已經(jīng)開始則打開各變量開始接受數(shù)據(jù)并計(jì)時(shí)，路程等變量也以1s為周期顯示在LCD上顯示出來，直至檢測到某一周期內(nèi)脈沖數(shù)為0停止計(jì)時(shí)并統(tǒng)計(jì)各個(gè)數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)經(jīng)算法處理后顯示在LCD上等待下一次脈沖。</p><p>　　圖4.3 霍爾傳感器測速流程圖</p><p>　　4.2.3環(huán)境監(jiān)測模塊編程</p><p

72、>　　如圖4.4所示，當(dāng)初始化DHT11并預(yù)留給其足夠的緩沖時(shí)間后，DHT11開始工作，因?yàn)镈HT11精度原因只需每次檢測溫濕度數(shù)據(jù)中的高八位即可，將其實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上，如果檢測到溫濕度超過了設(shè)置好的上限或下限閥門就打開相應(yīng)的溫度或濕度紅色LED異常狀態(tài)指示燈，同時(shí)蜂鳴器鳴笛進(jìn)行聲光報(bào)警，直至檢測到溫濕度沒有超過閥門時(shí)關(guān)閉蜂鳴器與指示燈。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中用戶可以手動(dòng)設(shè)置上限或下限閥門，

73、閥門之間的邏輯關(guān)系為“或”，因此并不會(huì)互相影響。用戶可以任意設(shè)置溫濕度每一個(gè)上下限閥門的數(shù)值或開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)更加人性化的溫濕度度控制報(bào)警功能。</p><p>　　圖4.4 DHT11溫濕度檢測流程圖</p><p>　　4.2.4聲光報(bào)警模塊編程</p><p>　　圖4.5 蜂鳴器與LED電路圖</p><p>　　如圖4.5所示，

74、在跑步過程中溫濕度對運(yùn)動(dòng)者跑步健康的影響很大，人體對溫度的感知能力有限，故需要一種溫濕度聲光報(bào)警控制系統(tǒng)。在聲音方面若使用無源蜂鳴器還需向I/O口發(fā)送PWM方波，有源蜂鳴器則要簡單得多，只要給I/0口編程為高電平蜂鳴器就能發(fā)出一定頻率的聲音。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中聲光報(bào)警使用兩顆紅色LED燈和有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，但I(xiàn)/0口的拉電流能力有限，而蜂鳴器在蜂鳴時(shí)需要較大的電流，S8050是常見的NPN型晶體三極管

75、，可以用作開關(guān)電路或高頻放大，經(jīng)常被使用在各類電路中。S8050最大集射擊穿電壓25V，最大集電極電流ICM=800mA,足以驅(qū)動(dòng)一般的蜂鳴器，使用時(shí)在蜂鳴器兩端并聯(lián)一只反向保護(hù)二極管（1N4007）。用戶設(shè)置溫濕度界面使用獨(dú)立按鍵移動(dòng)光標(biāo)調(diào)節(jié)范圍值，因?yàn)镈HT11的檢測范圍原因，溫濕度調(diào)節(jié)范圍為0-50℃與20%-90%RH。</p><p>　　如上圖4.4所示，在編程中將有源蜂鳴器定義接入P24口，P10與

76、P11口分別接入溫濕度LED異常狀態(tài)指示燈。I/O口P10和P11也可以接入繼電器驅(qū)動(dòng)用戶的家用加濕器或電風(fēng)扇等設(shè)備，從而營造一個(gè)舒適的跑步環(huán)境。</p><p>　　4.3軟件設(shè)計(jì)總流程圖</p><p>　　圖4.6 軟件設(shè)計(jì)總流程圖</p><p>　　如圖4.6所示：打開單片機(jī)電源后將初始化LCD，同時(shí)初始化DHT11并打開定時(shí)器中斷允許開始脈沖計(jì)數(shù)，以防

77、在設(shè)置完畢后因初始化硬件時(shí)間預(yù)留不足而出現(xiàn)顯示紊亂的情況。</p><p>　　硬件上電后后首先進(jìn)入體重設(shè)置，用戶可以通過加減按鍵設(shè)置體重并確認(rèn)退出，MCU將在這期間接收到的INT0脈沖數(shù)及初始化DHT11后讀取到的溫濕度值進(jìn)行各類數(shù)據(jù)分析及處理，LCD進(jìn)入主界面并顯示數(shù)據(jù)，在主界面中如果檢測到用戶有按鍵輸入則打開相應(yīng)的設(shè)置界面或其他功能，待用戶在其他界面設(shè)置完畢后MCU再次讀取用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)（例如溫濕度閥門，體

78、重等數(shù)據(jù)），并進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)部運(yùn)算及處理。</p><p><b>　　4.4系統(tǒng)仿真調(diào)試</b></p><p>　　如圖4.7所示，在本次設(shè)計(jì)中使用EDA軟件proteus8.3進(jìn)行軟硬件仿真調(diào)試，相比7.8版本加入了新的元器件庫，其中含有DHT11溫濕度元件，使得仿真工作更貼合實(shí)際。</p><p>　　圖4.7 系統(tǒng)仿真總圖</p&

79、gt;<p>　　如圖4.8，設(shè)計(jì)中霍爾測速傳感器難以仿真，使用脈沖觸發(fā)器與獨(dú)立按鍵來替代，按下按鍵就可以改變INT0接收脈沖的時(shí)間，模擬出速度脈沖在變化過程中的現(xiàn)象。</p><p>　　圖4.8 霍爾測速仿真圖</p><p>　　如下圖4.9所示，溫濕度報(bào)警指示燈模塊使用兩個(gè)LED紅色指示燈來仿真，其中的電阻可以代替繼電器等設(shè)備，以控制加降溫濕度。S8050三極管驅(qū)動(dòng)有

80、源蜂鳴器，控制系統(tǒng)的4個(gè)獨(dú)立按鍵高電平觸發(fā)。</p><p>　　圖4.9 溫濕度報(bào)警與蜂鳴器按鍵仿真圖</p><p>　　如圖4.10與4.11所示，經(jīng)過調(diào)試后proteus仿真中所有功能都正常實(shí)現(xiàn)，雖然仿真只是一個(gè)軟件模擬平臺(tái)，但是它簡單快捷，使用方便，合理的規(guī)劃出實(shí)物制作方案，節(jié)約時(shí)間。</p><p>　　圖4.10 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖1</p>

81、<p>　　圖4.11 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖2</p><p><b>　　第五章 總結(jié)</b></p><p>　　5.1跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作總結(jié)</p><p>　　本文設(shè)計(jì)出的自發(fā)電跑步機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)跑步機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息監(jiān)測功能，用戶在跑步過程中帶動(dòng)履帶與減速齒輪產(chǎn)生不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)過整流濾波與LM317存儲(chǔ)于12V蓄電池中、蓄電池

82、經(jīng)LM7805穩(wěn)壓后供電于單片機(jī)，也可直接供電于其他用電設(shè)備。這種半浮充的用電方式非常靈活與高效節(jié)能。用戶在跑步中產(chǎn)生的電能一部分用于儲(chǔ)存，一部分用于給單片機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)低碳，自循環(huán)，實(shí)際產(chǎn)品成本將十分低廉。這是一個(gè)集舒適，低成本，節(jié)能環(huán)保于一體的設(shè)計(jì)，對人們提高健身興趣與增加鍛煉效果有很大的意義。軟件方面采用了模塊化的設(shè)計(jì)編程方法，本次設(shè)計(jì)主要完成了這些方面：</p><p>　　（1）相比傳統(tǒng)的機(jī)械式與電動(dòng)跑步

83、機(jī)，本設(shè)計(jì)中的節(jié)能式跑步機(jī)可以實(shí)現(xiàn) 自發(fā)電與各類信息檢測與顯示，更符號(hào)當(dāng)前社會(huì)的低碳生活要求與主流價(jià)值觀。</p><p>　?。?）具有溫濕度報(bào)警功能，為用戶直觀的營造舒適的跑步環(huán)境。</p><p>　?。?）根據(jù)Keil UV4，設(shè)計(jì)并完成了各個(gè)軟件模塊的程序編寫。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊，并運(yùn)用protel 99se繪制了系統(tǒng)

84、總原理圖。</p><p>　?。?）使用Proteus 7.8對總系統(tǒng)進(jìn)行了仿真并調(diào)試成功。</p><p>　　5.2產(chǎn)品化設(shè)計(jì)的改進(jìn)</p><p>　?。?）在本次設(shè)計(jì)中雖然盡可能的模擬了實(shí)際跑步過程中的情況，但是鑒于成本電機(jī)與齒輪的選用并不能以真實(shí)跑步機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，齒輪方面應(yīng)選用大慣性大重量金屬來做減速齒輪，永磁發(fā)電機(jī)也應(yīng)挑選合適的功率來實(shí)現(xiàn)真實(shí)跑步機(jī)的產(chǎn)品化

85、。</p><p>　?。?）在機(jī)械改裝方面還需進(jìn)一步的考慮，比如跑步時(shí)機(jī)軸承的選擇，機(jī)板傾斜角度的設(shè)定等，整個(gè)系統(tǒng)還應(yīng)該更多的考慮經(jīng)濟(jì)性與便捷性的問題。</p><p>　　（3）由于機(jī)械跑步機(jī)的飛輪間摩擦影響還是很大，所以如果能研究出一種摩擦因數(shù)非常小的材料，會(huì)有更好的發(fā)展前景。</p><p>　　圖5.1 跑步機(jī)未來發(fā)展趨向圖</p><

86、;p>　　5.3跑步機(jī)設(shè)計(jì)研究展望 </p><p>　　當(dāng)今社會(huì)人們越來重視運(yùn)動(dòng)與健身，說跑步是一項(xiàng)全民運(yùn)動(dòng)也不為過，但是人們對跑步的要求已經(jīng)越來越苛刻。在戶外健身因場地問題很大程度上對人們造成了困擾，越來越多的人選擇使用跑步機(jī)，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)意義前景十分巨大。</p><p>　　雖然相比非電動(dòng)式跑步機(jī)，電動(dòng)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)更加輕松，但是其經(jīng)濟(jì)性與價(jià)格十分高，并不是每一個(gè)家庭都能夠承受的

87、起或者愿意買單，所以研究一種結(jié)合機(jī)械式與電動(dòng)式跑步機(jī)的新型跑步機(jī)產(chǎn)品十分必要，機(jī)械式跑步機(jī)擁有結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的跑步機(jī)還可以加入電動(dòng)跑步機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息檢測功能，通過增加自發(fā)電功能及一定的設(shè)備輔助，相比更能迎合大眾需要與市場需求。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的跑步機(jī)簡單經(jīng)濟(jì)，且具有實(shí)用價(jià)值，其節(jié)能環(huán)保，更符合當(dāng)前社會(huì)的生活需求，以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信息檢測與顯示功能，更讓用戶可以清楚的

88、定制跑步計(jì)劃，更好的實(shí)現(xiàn)跑步質(zhì)量與效果，是一款與時(shí)俱進(jìn)的器材。本設(shè)計(jì)中主要使用了DHT11傳感器與霍爾效應(yīng)測速傳感器，以STC89C52芯片為主控核心，LCD1602作為液晶顯示面板。發(fā)電機(jī)發(fā)出的不規(guī)則電壓經(jīng)保護(hù)與穩(wěn)壓電路后產(chǎn)生12V的可用直流電，以半浮充的方式存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，蓄電池對整個(gè)跑步機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電能供給與緩沖。整個(gè)設(shè)計(jì)的理念是使運(yùn)動(dòng)能夠合理的統(tǒng)籌安排，環(huán)保低碳。</p><p><b>　　結(jié)束

89、語</b></p><p>　　經(jīng)過這兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我真的學(xué)會(huì)了很多很多知識(shí)，從上網(wǎng)查閱到資料到形成自己的思想體系，這期間有很多的困難與阻撓，但是慶幸的是我堅(jiān)持了下來，攻克了一個(gè)又一個(gè)的難關(guān)，學(xué)到知識(shí)是一方面，但是更重要的是我學(xué)會(huì)了解決問題的思維方式與堅(jiān)持不懈的精神。</p><p>　　在學(xué)習(xí)單片機(jī)的過程中，我逐漸的對單片機(jī)產(chǎn)生了極其濃厚的興趣，不光在硬件的設(shè)計(jì)上，軟件的

90、編寫上，更多的是對實(shí)現(xiàn)了自身設(shè)計(jì)期望目標(biāo)的一種成就感，從使用Proteus仿真軟件，Keil開發(fā)軟件的無數(shù)次調(diào)試，到實(shí)物的焊接，燒寫程序后發(fā)現(xiàn)問題不斷改進(jìn)，最終將硬件與軟件都盡我最大的努力做到了完美，當(dāng)我看到成品真的完美運(yùn)行的時(shí)候，我由衷的欣慰，這兩個(gè)月的努力并沒有白費(fèi)。</p><p>　　做這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，不光是對我學(xué)習(xí)單片機(jī)期間努力的一種肯定，也是對我四年大學(xué)生活的肯定，對十幾年的求學(xué)生涯的認(rèn)可。這種精神是

91、很可貴的，我想也是每個(gè)人一生里最值得回味的。</p><p>　　從實(shí)踐中得到的知識(shí)比從書中得到的要有趣的多，但是若沒有在網(wǎng)上，書上的資料，也不可能學(xué)習(xí)的如此之快，也只有兩者結(jié)合后才是真正的生產(chǎn)力，才是推動(dòng)人類科技文明發(fā)展的最好方式。但更重要的是有不放棄，不妥協(xié)的心，努力的發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，解決問題，絕不向各類困難低頭，希望這種科研探索的精神能陪伴我一生。</p><p><b&g

92、t;　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)四年的生活終于要步入尾聲了，經(jīng)過這兩個(gè)月的不斷探索、思考與實(shí)踐，我終于圓滿完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，從理論知識(shí)的歸納梳理，到宏觀方向的框架建立，再到細(xì)節(jié)的不斷完善與功能的完美實(shí)現(xiàn)，我學(xué)習(xí)到了很多，真的很感謝我的畢設(shè)指導(dǎo)老師羅祖軍老師，羅老師嚴(yán)謹(jǐn)而開朗的學(xué)術(shù)態(tài)度讓我非常感動(dòng)。</p><p>　　授人以魚不如授人以漁，羅老師教會(huì)了我

93、怎樣去學(xué)習(xí)，去自己動(dòng)手探索與思考，每當(dāng)我有問題想詢問羅老師時(shí)，老師不管多忙都能抽空對我耐心指導(dǎo)，并對我設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行具體分析與探討，羅老師這種實(shí)事求是、一絲不茍的學(xué)術(shù)態(tài)度是極其可貴的，在這段與老師的學(xué)術(shù)與創(chuàng)新思想碰撞的日子里，我十分的充實(shí)快樂，我想未來無論身在何地，從事什么工作，這都會(huì)是我這一生中一段無法忘記的寶貴經(jīng)歷。 </p><p>　　同時(shí)我也要感謝在做這次的畢設(shè)中給我提供了資料的作者們，是你們的辛勤

94、勞動(dòng)才讓我能夠事半功倍，汲取精華部分。</p><p>　　也感謝我自己順利完成了大學(xué)四年的修習(xí)任務(wù)，翻開人生中新的篇章，感謝培育我的學(xué)校，祝母校蒸蒸日上，在此，我再一次的對幫助過我的老師和作者表示感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張洪潤．傳感器應(yīng)用技術(shù)300例．上冊[M]．北京：北京航空航天大學(xué)

95、出版社，2008,(18):125. </p><p>　　[2] 李華. MCS- 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京:航空航天大學(xué)出版 社,2003,(35):135-138.</p><p>　　[3] 余成波．傳感器及自動(dòng)檢測技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2005,(19):122-123. </p><p>　　[4] 陳浩. 單片機(jī)原理的應(yīng)用

96、與開發(fā)技巧探討[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(科學(xué)教育版),2011,(04):131-132. </p><p>　　[5] 常鳳楠,陳忠孝,魏建全,史園輝,邵亞強(qiáng). 語音控制的節(jié)能舒適型機(jī)械式跑步機(jī)[J]. 山東工</p><p>　　業(yè)技術(shù),2015,(18):140. </p><p>　　[6] 梁強(qiáng). 字符型液晶模塊1602快速應(yīng)用[J]. 科技信息

97、,2012,(35):138-139. </p><p>　　[7] 丁芝琴. 基于霍爾傳感器的電機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2010,(05):81-83. </p><p>　　[8] 李德路,侯文寶. 基于DHT11室內(nèi)溫/濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 智能建筑與城市信息,2013,(11):62-64. </p><p>　　[9] 曹治龍.

98、51系列單片機(jī)編程的實(shí)現(xiàn)[J]. 硅谷,2012,(12):150-151+47.</p><p>　　[10]王曉旭. 數(shù)控可調(diào)直流電源的研制[M].華中科技大學(xué),2012,(05):77-79.</p><p>　　[11]陳浩. 單片機(jī)原理的應(yīng)用與開發(fā)技巧探討[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(科學(xué)教育版),2011,(04):131-139. </p><p>　　[

99、12]馮平,張治中. 基于可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317的直流穩(wěn)壓電源[J]. 電子測試,2009,(05):70-73+89.</p><p>　　[13]葉景. 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國新通信,2008,(13):49-52.</p><p><b>　　附錄A 原理圖</b></p><p><b>　　附錄B 實(shí)物

100、圖</b></p><p><b>　　附錄C 源程序</b></p><p>　　#include <reg52.h> </p><p>　　#define K 1 //定義減速齒輪之間的傳動(dòng)比

101、，默認(rèn)為1</p><p>　　#define R 0.05 //定義傳感器檢測齒輪半徑0.05（米）</p><p>　　#define CITIE 5 //定義齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈磁鐵脈沖數(shù)</p><p>　　typedef unsigned int u16; </p><p>　　typedef

102、 unsigned char u8;</p><p>　　sbit Data=P3^7; //定義DHT11數(shù)據(jù)線</p><p>　　sbit k4=P2^0; //定義按鍵K1 K2 K3 K4接口</p><p>　　sbit k1=P2^3;</p&

103、gt;<p>　　sbit k2=P2^2;</p><p>　　sbit k3=P2^1;</p><p>　　sbit beep=P2^4; //定義源蜂鳴器在P16口</p><p>　　sbit lcden=P2^5; //LCD1602管腳接口

104、定義 </p><p>　　sbit lcdrs=P2^7; </p><p>　　sbit lcdrw=P2^6;</p><p>　　sbit fengshanled=P1^1;

105、 //定義兩個(gè)狀態(tài)指示LED燈代表風(fēng)扇與加濕器</p><p>　　sbit jiashiled=P1^0;</p><p>　　u8 code thanks[]={"Welcome to use !"}; //歡迎使用</p><p>　　u8 code make[]={"Save Treadmill"};<

106、/p><p>　　u8 code weight[]={"Your Weight"}; //數(shù)組存放語句</p><p>　　u8 code tempwarng[]={"Wendu Waring!"};</p><p>　　u8 code shiduwarng[]={"Shidu Waring!"

107、;};</p><p>　　u8 code temmin[]={"Min"};</p><p>　　u8 code temmax[]={"Max"}; </p><p>　　u8 mkg=52,miao,fen,shi;</p><p>　　u8 tempwarn=25,tempwarn1=32,s

108、hiwarn=30,shiwarn1=40,RH,RL,TH,TL;</p><p>　　u16 distance,z,VMH;</p><p>　　float distance1;</p><p>　　void DHT11_delay_us(u8 n)</p><p><b>　　{</b></p>&l