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研究生: 林正議
Zheng-Yi Lin
論文名稱: 以微控制器為基礎的智慧型跑步機系統研製
Design of Intelligent Treadmill System Based on Micro-controller
指導教授: 徐國鎧
Kuo-Kai Shyu
郭明庭
David M. T. Kuo
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 資訊電機學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 步態分析智慧控制跑步機
外文關鍵詞: intelligent control, gait analysis, treadmill
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  • 本文旨在建立以微控制器為基礎的智慧型跑步機速度控制系統,利用馬達反電動勢經由濾波電路得知負載資訊,而分析出跑者的步態包括體重、步頻、步幅等,並以所得步態資訊,判斷出此跑者是否想加速或減速,而自動作速度調整,毋須透過按鍵選擇。
    速度回授方面,使用光遮斷器檢測轉速,透過單晶片內建表格(Table)查表,得到當前跑步機轉速,與目前速度命令比較,經過比例控制器,完成速度控制。
    負載量測方面,由馬達電源端直接拉取訊號,經過濾波電路得到負載資訊,包括跑者體重、步頻、步幅等等;利用所得負載資訊,判斷跑者加減速之意願,而自動改變速度命令,改變傳統速度命令由按鍵輸入的窠臼,完成智慧型跑步機系統。
    本論文提出之系統亦可透過安裝壓力板於底部、視覺回授、或是跑者血壓脈搏量測等來實現,不過皆屬外加機構,成本過高,不適合做為商品化考量,因此可知本系統在業界應有很高的應用價值。


    The thesis proposes the design and implementation of a microcontroller based intelligent treadmill system. By detecting the back-EMF of the treadmill motor, load information, such as the jogger’s weight, gait length, and gait frequency, etc, could be analyzed after filtered properly. Without setting the speed-up or speed-down button, the treadmill would regulate its speed automatically by means of the gait information.
    The photo interrupter is utilized as the speed sensor. By consult table constructed in the micro-controller, the present speed is derived. After comparing with current speed command, speed control is fulfilled by proportional controller.
    As the aspect of load measurement, signals are measured by directly connecting to the DC motor power line. The jogger’s weight, gait frequency, and gait length, are found out after filtered properly. By means of the load information, jogger’s intention to change speed is determined, and the system regulates its speed command automatically without conventional button input.
    The thesis could also be realized by setting a pressure board under the treadmill, visual feedback, or jogger’s blood pressure measurement. However, all mentioned above are additional devices. For the purpose of commercialization, its cost is rather high. Therefore, the proposed system is very valuable in this perspective.

    中文摘要Ⅰ 英文摘要Ⅱ 目錄Ⅲ 圖目錄Ⅵ 第一章 緒論01 1.1 前言01 1.2 研究動機與方法01 1.3 文獻回顧02 1.4 論文架構03 第二章 直流有刷馬達簡介04 2.1前言04 2.2結構與原理05 2.3轉移函數推導06 2.3.1電壓方程式06 2.3.2動力方程式07 2.3.3轉移函數08 2.4轉速特性分析11 2.5馬達轉速與履帶速度關係13 第三章跑步機硬體電路設計與製作14 3.1前言14 3.2跑步機系統架構與硬體電路設計分析14 3.3電源供應電路16 3.3.1EMI濾波器17 3.3.2AC/DC整流電路18 3.3.3線性穩定電源電路19 3.4運算及控制模組20 3.4.1微控制器20 3.4.2按鍵電路22 3.5馬達控制與驅動電路24 3.5.1閘極驅動電路24 3.5.2功率級電路與直流馬達25 3.5.3坡度控制及偵測電路與交流馬達28 第四章轉速檢測與速度控制30 4.1前言30 4.2轉速檢測方法介紹30 4.2.1轉速發電機30 4.2.2磁編碼器轉速檢測法31 4.2.3換向片切換訊號轉速檢測法31 4.2.4光編碼器轉速檢測法33 4.3轉速檢測硬體架構33 4.4轉速檢測軟體流程35 4.5速度控制器設計36 4.6實驗結果37 4.6.1速度命令 750 rpm37 4.6.2速度命令 1500 rpm38 4.6.3速度命令 2000 rpm40 第五章智慧型跑步機速度控制系統42 5.1 前言42 5.2 負載偵測硬體架構43 5.2.1 LC電路44 5.2.2 光耦合器隔離電路44 5.2.3 低通濾波器46 5.2.4 直流準位消除電路49 5.2.5 史密特觸發器50 5.2.6 實驗結果51 5.3 負載訊號分析54 5.3.1 造成的反電動勢直流準位飄移54 5.3.2 造成的反電動勢交流電壓55 5.4 智慧型跑步機速度控制系統56 5.4.1 控制原理56 5.4.2 單次步伐控制實驗結果58 5.4.3 連續步伐控制實驗結果59 第六章結論與展望63 參考文獻64 作者簡歷66

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