1. 研究目的与意义
| 伴随着社会的发展与进步，人们的生活水平的提高，越来越多的的人喜欢在业余时间进行锻炼，跑步机使人们的业余生活得能够更加充实并且有益身心健康，是生活中最便捷的健身器材和康复训练设备之一。由于受到天气、场地等客观因素的影响较小，通过室内跑步机进行锻炼已成为人们健身的重要选择。但是，随着人们生活方式的变化，传统的跑步机已不能满足健身需求。传统跑步机多为功能单一的跑步机，研究人员对其控制系统进行了智能化和多功能设计，如跑步机控制系统中嵌入Android平台，虚拟现实技术与跑步机结合捕捉运动数据，虚拟跑步系统的开发，对跑步动作开发识别算法等。就目前研究来看，对跑步机智能控制方面的研究较多。然而，现有跑步机在体积、功能等方面存在诸多不足，在跑步机结构和造型的创新设计方面研究较少。 为提高跑步机的实用性，使跑步机的设计更符合现代人的生活方式，设计应从跑步机与居家产品的特点及人们的健身需求出发，结合人机工程学的标准和原则，开发新的机械传动结构，实现居家产品与健身器材功能的融合，为家庭体育的发展提供更加人性化的器材。以往研究中，多以健身器材或居家产品其中一种为研究对象，很少提出将两种产品的功能进行融合。文中对多功能跑步机显示装置进行研究，结合健身器材和居家产品的特点，设计一种可满足家庭体育需要的多功能健身器材。在一定程度上满足家庭体育健身需求，为家庭体育健身器材的开发提供参考。 跑步机控制系统的设计也作为跑步机的核心，设计应用数电、模电、单片机及接口技术、C51的编程等知识，可谓知识面含量非常广，但因现代的微电子技术、计算机技术和嵌入式微控制器技术等的飞速发展，让我们做出各种类型跑步机成为可能。目前各大城市都有很多家健身中心，不可或缺的跑步机也引领着时代的脚步。所以智能跑步机控制系统的设计也随着广大用户的需求而变得越发重要，跑步机的设计也在不断地改进和完善。基于单片机跑步机控制系统主要在于单片机的应用。单片机又名嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller），明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，实现的是对象的智能化控制，这一点是巨型机和网络不可能做到的。其目前的发展趋势主要是CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 健身器材缘起20世纪70年代初的北美洲，伴随人们对健康关注度的提升和生活质量的提高，在40多年的发展进程中，健身器材经历了从单一功能到多功能、从简单结构到复杂结构、从低科技到高科技的演变。健身器材市场也不断细分，专业健身器材产品有了长足的进步，健身器材通用性与针对性结合，多功能、多样化、多品种、智能化、趣味化地满足不同年龄、性别、层次，商用或家用的新型健身器材也越来越多。跑步机是健身器材中应用最广泛、使用频率最高的有氧类型器材。在用户与跑步机的关系研究中，无论从听觉、视觉、触觉的人类认知，还是操控装置设计、界面设计、安全装置设计，都需要考虑跑步机与用户的交互性。在健身意识增强、健身器材普及的今天，跑步机的交互性研究越发显示出研究价值与推广价值。 开发此项目可以使用户更好的体验跑步机的更多更实际的功能，通过这次毕业课题的设计，一方面，巩固了我们所学的知识，检验理论运用于实践的能力，同时能够对我所学知识进行一次全面的总结。另一方面，通过大量资料的查阅，使我对跑步机工作原理有了更深入的了解，有助于提高我独立分析问题和解决问题能力，而且还提高我们综合运用知识的能力和改善了我们的知识结构，为以后的工作积累了一定的经验。
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2. 研究内容和预期目标
研究内容：设计基于单片机设计一个跑步机显示装置系统。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，跑步者消耗的热量，跑步者跑步的速度跑步机坡度可调的功能。通过软件编程，易于实现功能的扩展。
预期目标 1、设计跑步机能够显示跑步的总时间。
3. 研究的方法与步骤
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，显示跑步过程中消耗的总热量，跑步机的坡度可调。设计通过单片机实现程序的编辑与脉冲信号的输出。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。热量计算部分通过时间、速度、相应速度所对应的能量消耗指数来计算并通过液晶显示器显示。显示部分，设计同时显示跑步时间，跑步速度还有跑步时消耗的总热量。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。在液晶显示器中显示出时间信号，速度信号还有消耗热量信号。另一个调坡度电机控制跑步机的坡度，调坡度电机选为步进电机，当调坡度电机通电时机电机转动，断电时电机停止转动，利用螺旋杆连接跑步机，通过控制电机的正反转，控制跑步机坡度的大小，既达到设计要求。
1、电机的选择与控制
本设计中有两个部分需要用到电机，一部分是跑步机的跑动带滚动部分，另一部分是跑步机坡度调节部分，需要用到两个不同的电机，本设计中均选择步进电机进行设计，步进电机通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制。
2、速度调节的设计
首先在速度调节部分，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。
3、速度显示部分的设计
速度控制的设计还需要显示在显示屏上。这样方便于跑步者知道自己的跑步状态，以便在以后的跑步锻炼中确定适合自己的跑步速度。所以跑步机控制系统的显示部分也显得尤为重要，因此必须要用到液晶显示器，显示器通过单片机内部程序控制直接显示出跑步机运作时的实时数据。
4、跑步时间的显示
设计显示跑步者开始跑步后的跑步时间，即应用计时器功能累计计时，当跑步机停止工作时计时停止，总体由单片机内部程序编写控制，本模块比较容易实现。
5、热量计算并显示
热量根据跑步的速度与跑步的时间累计计算得到，不同的跑步速度会对应不同的单位时间热量消耗值，本设计在设计时将不同速度段对应的热量消耗输入到单片机内部程序中，并在跑步机开始工作后会计算出跑步者实时累计消耗的热量，即达到了显示热量消耗的功能。热量值为速度与时间还有固定k值的乘积。
6、坡度的调节
坡度调节也作为比较重要的一部分在设计要求之内，坡度的调节可以模拟不同的路况，更加贴近实际跑步的环境这样的设计更加符合实际的跑步环境。设计坡度调节需要应用到另一个电机，通过控制电机的运转状态来调节电机的运转时间长短，主要不是靠电机将人升上去，而是靠电机的旋转，带动螺纹杆的进出达到跑步机升降的作用。因此仅需控制坡度调节的电机开关通断即可控制跑步机的坡度，即达到了设计要求。下图为坡度调节模块原理框图
采用结构化方法编程。采用结构化的程序设计方法和C51高级编程语言，并给出了相应的程序流程图。
图4 速度调节子程序流程图
7、利用现有设备仿真的方法
本设计用到实验室现有的试验设备以及电脑所安装的软件进行仿真，仿真是电路设计过程中必不可少的一个环节，在本课题设计中原理设计是完全正确的电路，但是拿到仿真中也未必能够正常的工作，可能会纯在一些仿真的问题，所以只有在仿真是才能真正的找到问题所在，并加以改正。在虚拟测试系统的仿真过程中，会发现并解决很多的问题，其中班阔设计上的问题以及软件程序设计等所造成的问题。经过认真的检查，仔细的修改最终达到可实现仿真的效果。即设计合乎课题要求。
8、现有基础和具备的条件
通过在校四年的学习,本人较好地掌握了必须的专业基础知识,基本理论与基本技能,具备了研究新课题的初步基础，四年的大学学习生涯在专业基础老师的帮助和指导下，系统的学习了模拟/数字电子，测控电路，电力电子技术，测控仪器设计，常用电子仪器原理，数字信号处理,Matlab/Proteus仿真，Protel/Visio制图，自动控制原理，单片机和等理论课程，在学习了上述课程的基础上，我对该课题能够更加深入的了解其中设计到的知识点，并结合自己所学的知识做出相应的设计方案，另外还有经验丰富、知识精湛的毕业指导老师，丰富的电子资料（中国知网、万方数据库等）可以供自己查阅质料，有测控技术专业实验室和计算机机房可以使用以便进行设计的仿真，以及比较好的硬件条件。这样就使得我的设计在技术和硬件上上得到了支持，相信自己能够把该课题做好。
9、最后将测试后程序烧进芯片并对整个开发过程中所用到的全部资料进行整理，形成完整的毕业论文。准备追后的答辩。
4. 参考文献
| [1]郝跃峰. 居家运动用好跑步机[N]. 健康报,2020-02-26(007). [2]Fatih K,Eser SERT. Brain tumor segmentationapproach based on the extreme learning machine and significantly fast androbust fuzzy C-means clustering algorithms running on Raspberry Pihardware[J]. Medical Hypotheses,2020,136. [3]Yuji Takahashi,Kazutaka Mukai,HajimeOhmura,Toshiyuki Takahashi. Do Muscle Activities of M. Splenius and M.Brachiocephalicus Decrease Because of Exercise-Induced Fatigue inThoroughbred Horses[J]. Journal of Equine Veterinary Science,2020,86. [4]Lars Peder Bovim,Beate Eltarvg Gjesdal,SiljeMland,Mona K Aaslund,Brd Bogen. The impact of motor task and environmentalconstraints on gait patterns during treadmill walking in a fully immersivevirtual environment[J]. Gait Posture,2020,77. [5]Derek JamesRutherford,Rebecca Moyer,Matthew Baker,Sara Saleh. High day-to-dayrepeatability of lower extremity muscle activation patterns and jointbiomechanics of dual-belt treadmill gait: A reliability study in healthyyoung adults[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology,2020,51. [6]Mary M. McDermott,Jack M. Guralnik,Lu Tian,LihuiZhao,Tamar S. Polonsky,Melina R. Kibbe,Michael H. Criqui,DongxueZhang,Michael S. Conte,Kathryn Domanchuk,Lingyu Li,Robert Sufit,ChristiaanLeeuwenburgh,Luigi Ferrucci. Comparing 6-minute walk versus treadmill walkingdistance as outcomes in randomized trials of peripheral artery disease[J].Journal of Vascular Surgery,2020,71(3). [7]朱梁. 健康监测跑步机的研发[D].浙江理工大学,2013. [8]徐航. 基于跑步机的心肺耐力测试及训练方法[D].中国科学技术大学,2014. [9]张旭. 基于跑步机的心肺耐力评估系统的原理与设计[D].安徽大学,2013. [10]陈洪琪. 基于物联网技术的数字健身器材设计与应用研究[D].曲阜师范大学,2014. [11]刘洋,周旭,孙怡宁,刘遥,马书芳.基于步法的跑步机速度跟踪控制方法[J].传感技术学报,2015,28(02):217-220. [12]赵凌燕,黄守刚,隋立明,李金.跑步机上行走与平地行走膝关节运动差异性研究[J].哈尔滨工程大学学报,2015,36(09):1259-1263. [13]朱宇哲. 跑步机人机交互界面研究[D].浙江工业大学,2015. [14]程龙乐. 基于视频图像处理的跑步机速度自适应控制技术的研究[D].安徽大学,2015. [15]卢纯福,胡明艳,唐智川,朱宇哲.跑步机人机界面可用性评估及再设计研究[J].包装工程,2017,38(22):1-5. [16]张旭,马祖长,徐超,姚志明,杨慧亮,徐航.基于跑步机的青少年男性人群心、肺耐力间接测量方法[J].体育科学,2013,33(08):50-56 80. [17]曹新星. 智能型数字化跑步机控制系统的研究[D].浙江大学,2011. [18]袁玲. 基于人机工程学的家用电动跑步机设计与生产研究[D].太原理工大学,2011. [19]孙浩. 智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现[D].南京邮电大学,2011. [20]高岑.跑步机产品交互性的研究[J].机械管理开发,2019,34(10):75-78
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5. 计划与进度安排
（1）2022.03.02—2022.03.22（3周） 查阅资料，撰写开题报告，翻译资料；
（2）2022.03.23—2022.04.12（3周） 硬件功能分析，熟悉单片机指令；
（3）2022.04.13—2022.05.10（4周） 设计电路原理图、编制应用程序；
