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研究生:葉仕偉
研究生(外文):Shih-Wei YEH
論文名稱:具有跑步反作用力量測之智慧型跑步機研製
論文名稱(外文):Design of Intelligent Treadmill with Feet Counterforce Measurement
指導教授:陳冠宏陳冠宏引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:資訊電機工程碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:103
中文關鍵詞:重量感知器跑步機反作用力微處理器
外文關鍵詞:MicroprocessorCounterforceTreadmillLoad Cell
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本文提出創新性可量測跑步反作用力之跑步機研製。利用荷重感測器(Load Cell)量測跑步反作用力,並以微處理器(DPF-MCU)進行量測數據之轉換與顯示,進而實現具反作用力量測弁鄐妥撮z型跑步機。
過去的研究利用馬達在跑步時所消耗的電流來換算跑步的反作用力值,或將測力板裝置在跑步帶下方來量測,此兩種方法已相當成熟並行之有年,但仍侷限於商業用及醫療用跑步機,以測力板作重量感測器為例,單就材料成本而言,相較於荷重感測器竟達三倍之多,不被一般消費者所接受。本文利用Load Cell荷重原理來實現跑步時反作用力量測,並將反作用力值顯示於跑步機儀表上以便使用者檢視,所有相關轉換運算與週邊控制僅由一低複雜度微處理器完成,有效降低成本。
另外在市面上家用等級的跑步機設計均以LED或單色LCD做為跑步機人機介面操作,本文利用數位相框處理器搭配7” TFT LCD Module設計,除了將儀表顯示器彩色化之外,並可提升家用跑步機的質感,增加消費者購買意願。
This work proposes a novel counterforce measuring mechanism for intelligent treadmills. The systematic structure uses load cells as sensors, and a low complexity microprocessor, DPF-MCU, to transfer and display the related counterforce data.
Previous works show that the counterforce is obtained either by measuring the power consumed by motors or by using the force plate placed under the running belt. These two ways of measurement is quiet mature and being used for years. But is limited to medical and commercial usages only. The costs of these previous works are much higher than home-use treadmill on average which makes them difficult to be widely accepted by consumers. In this thesis, we adopt the load cell principal to measure the counterforce, and then display the counterforce measurement on the treadmill console. All the related data transfer operations and peripheral controlling are realized by using a low complexity microprocessor. Therefore, the cost is effectively reduced.
In addition, the majority of home use treadmills on the market are mono LED or LED interface operating. For our example, we use the DPF-MCU and a 7” TFT LCD Module to make the dashboard more colorful, more high quality looking, and to attract consumers.
摘要 ……………………………………………………… i
Abstract ………………………………………………… ii
誌謝…………………………………………………………iii
圖目錄 …………………………………………………… vii
表目錄 …………………………………………………… xi
第一章、緒論 …………………………………………… 1
1.1前言 ……………………………………………………1
1.2研究背景與動機 ………………………………………1
1.3文獻回顧 ………………………………………………4
1.4論文架構 ………………………………………………8
第二章、重量感知器介紹及系統架構 ………………… 10
2.1重量感知器 ……………………………………………10
2.1.1 Load cell 原理說明 …………………………… 10
2.1.2 Load cell電路設計探討 …………………………14
2.2跑步機系統架構探討 …………………………………15
2.2.1馬達控制部份 ………………………………………15
2.2.2儀表控制部份 …………………………………… 16
2.2.3跑步機系統整合及規格制定 ………………………17
2.2.4 Load Cell穢韘鼽m……………………………… 20
第三章、硬體架構設計及研製……………………………22
3.1重量感知器電路設計………………………………… 22
3.1.1 差值放大器…………………………………………26
3.1.2低通濾波器 …………………………………………28
3.1.3第二級放大器 ………………………………………30
3.1.4重量感知器電源電路 ………………………………31
3.2 跑步機儀表電路架構設計 ………………………… 33
3.2.1數位相框處理器 ……………………………………33
3.2.2顯示器電路 …………………………………………37
3.2.3按鍵掃描電路……………………………………… 38
3.2.4馬達控制器介面電路 ………………………………39
3.3 馬達控制電路設計……………………………………40
3.3.1 MCU電路 ……………………………………………41
3.3.2電源電路 ……………………………………………42
3.3.3必v級控制電路 ……………………………………44
第四章、跑步機系統軟體規劃 ………………………… 47
4.1 腳底反作用力值軟體設計 ………………………… 47
4.2 圖形資料傳輸顯示規劃 …………………………… 49
4.3 跑步機速度運算及控制軟體規劃……………………52
4.4 跑步機車台揚升位置判斷 ………………………… 54
第五章、測試方式及驗證 ……………………………… 56
5.1跑步反作用力測試 ……………………………………56
5.1.1 靜態測試 ………………………………………… 57
5.1.2 不同速度跑步時反作用力值測試 ……………… 62
5.1.3 驗證方法與實際比對 …………………………… 83
5.2 跑步機系統控制驗證 ……………………………… 87
5.2.1 跑步機速度控制驗證 …………………………… 88
5.2.2 跑步機車台揚升驗證 …………………………… 94
第六章、結論及展望 …………………………………… 97
6.1 對於系統面結論 …………………………………… 97
6.2 未來的展望及挑戰 ………………………………… 97
參考文獻 ………………………………………………… 99
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