毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的电动跑步机直流调速系统设计

1、I装订线电动跑步机直流调速系统摘要 近年来,随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,人们对自身的健康也日益关注,健身成为一种流行时尚,健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域,电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用,具有广阔的市场前景。研发具有多功能和高附加值的人性化科学化的电动跑步机具有重要的现实意义。 电动跑步机的电控系统是整个跑步机运转的核心,它需要具有用户接口界面功能、电机调速功能和其他附加功能。本论文以电动跑步机直流调速系统为研究对象,以实用、舒适、高性价比、高可靠性和高安全性为目标,以单片机 AT89C51 为控制核心,完成了有刷直流电动机调速系统硬件设计和总体软件

2、开发等任务。从理论分析到软硬件实现,全面详细的阐述了电动跑步机电控系统的设计全过程。本文首先对系统各个模块进行了初步选择与论述，然后对硬件和软件系统的设计做了详细的说明。关键词跑步机 直流调速系统 单片机II装订线DC electric treadmill speed control system Abstract In recent years, with socio-economic development and peoples living standards, peoples own health is also increasingly concerned about the fi

3、tness to become a popular fashion, fitness equipment industry is also gradually rise to a large consumption of electric treadmill as a important kinds of fitness equipment have been growing a wide range of applications, has broad market prospects. R & D has a multi-functional and high value-adde

4、d human electric treadmill scientific practical significance. Treadmill electric motor control system is the core of treadmill running, it needs to interface with the user interface functions, motor functions and other additional features. In this paper, a DC electric treadmill speed control system

5、for the study to practical, comfortable, cost-effective, high reliability and high security as the goal, AT89C51 single-chip microcomputer to control the core of the completion of a brush DC motor transfer speed system hardware design and software development, such as the overall task. From the theo

6、retical analysis to hardware and software to achieve a comprehensive detail of the electric running control system of mechanical and electrical design of the entire process. In this paper, first of all, each module of the system with a preliminary discussion, and then on the hardware and software sy

7、stem design such a detailed description. Key words treadmill speed control system single-chip computerI装订线目录第一章 绪论 .11.1 课题研究目的和意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 专业跑步机 .21.2.2 家庭用小型跑步机 .31.3 本文的主要内容 .3第二章 系统总体方案设定 .42.1 系统组成 .42.2 系统控制方案设计 .42.3 系统总体方案设计 .52.3.1 系统控制器的选择 .52.3.2 检测元件的选择 .52.3.3 输入通道方案选择 .62.3.

8、4 外围接口设备的选择 .6第三章 系统硬件设计 .83.1 控制单元电路设计 .83.1.1. AT89C51 引脚特性 .83.1.2.时钟电路设计 .113.1.3.复位电路设计 .123.2 信号检测电路设计 .143.3 控制电路设计.143.4 外围设备接口电路设计.153.4.1.显示器接口电路设计 .153.4.2.键盘接口电路设计 .16第四章 系统软件设计 .174.1 总体设计思想 .174.1.1.系统工作原理 .174.1.2.程序设计法的选择 .174.1.3.程序设计语言的选择 .184.2 主程序的设计.194.3 PWM 控制子程序设计.204.4 数码管显示

9、程序.25II装订线第五章 总结 .34致谢 .35参考文献 .36共 36 页 第 0 页装订线第一章 绪论1.1 课题研究目的和意义 随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对自身的健康也日益关注，从而更热衷于参加各种体育运动。然而，在现代城市生活中，许多人特别是脑力劳动者，从事体力劳动和体育运动的时间和空间都大为减少。据调查显示，运动量不足，成为许多人处于“亚健康状态”的重要原因之一。1996 年，美国卫生署发表了体育运动与健康报告 ，大力倡导美国人从事健身运动，强化心肺功能训练，增强身体自然抵御力，进而开启了有氧心肺健身器材产业的序幕。近年来，全球健身器材产业迅猛发展。据2006 年中

10、国健身器材行业研究报告统计，2005 年，全球健身器材市场销售额已突破 100 亿美元，同比增长超过 15%。目前，欧美国家仍是世界健身器材的主要消费国家，其中美国是世界健身器材消费的第一大国，约占全球的三分之二，且市场年增长率超过 10%;而美国以外的市场，规模虽不庞大，但市场年增长率却在 20%以上，增长势头良好。在我国，健身器材产业起步较晚，缺乏世界知名品牌;而市场需求量却增长迅速，从而出现了世界健身器材巨头(如美国爱康健身器材公司、美国诺德士集团以及韩国秀健健身器材公司等)纷纷“抢滩”中国市场的局面。目前，健身器材产业主要分为有氧健身器材(如跑步机、椭圆机、健身车、划船机等)和重量训练

11、器材(如仰卧起坐板、杠铃、哑铃等)两大类。而作为一种重要的有氧健身器材的跑步机，刚刚出现，就受到了人们的广泛喜爱。一方面，它满足了人们在室内进行跑步锻炼的需要，因为跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价并积极推荐的有氧健身运动，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式;另一方面，从科学的角度看，在跑步机上进行的走或者跑，在动作外形上几乎与在地面上走或跑一样，但是从人体实际用力看，它比在陆地上走或跑省去了蹬伸动作，从而使得跑步者感觉十分轻松自如，并比在陆地上多跑 1/3 的路程，能量消耗也大于陆地训练。2006 年中国健身器材行业研究报告中指出，电动跑步机是目前世界上销量最大、进入

12、家庭最多的心肺功能锻炼器。在健身活动比较发达的欧美等地，各种健身器材已经成为许多家庭的必备品;而在我国的许多大中城市，跑步机等健身器材也开始走进家庭。在美国 KEYS 健身器材公司和青岛英派斯健身集团分别进行的调查显示，在被调查的人当中，选择跑步机进行锻炼的人数分别共 36 页 第 1 页装订线占到了总人数的 63%和 75%。不难看出，健身器材产业在国内外市场均具有广阔的发展空间和发展潜力，而跑步机作为健身器材中的宠儿，其市场前景则更为广阔。因此，开发性能优异的跑步机产品具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状根据健身器材设计的耐用性以及所使用的场所不同，目前市场上的跑步机主要分为两类:专

13、业健身房用跑步机和家庭用小型跑步机。前者作单项训练用一般仅有跑步功能，技术含量及配件品质较高，耐用性高，价格昂贵;后者的突出特点是所占空间小，重量轻，价格相对比较便宜，并且往往增加了如划船运动、按摩等功能。对于不同用途的跑步机，其调速系统也有着较大差别:1.2.11.2.1 专业跑步机专业跑步机直流有刷调速系统以其控制线路简单、调速范围宽、过载能力较大和优异的控制性能在各类跑步机产品中得到了广泛的应用。目前，国内外跑步机用驱动电机仍以有刷直流电机为主，采用直流电动机不可逆 PWM 系统。此前，青岛英派斯健身集团开发的一款 DP220T 健身房用跑步机就是采用了跑步机用有刷直流电动机为驱动电机，

14、以集成 PWM 控制芯片 SG3525A 为核心，硬件电路实现的电压负反馈、电流补偿控制的 PWM 闭环控制系统。尽管有着控制简单的优点，但直流有刷电动机由于存在电刷和换向器的机械换向结构，长期运行必然需要经常维护电刷和换向器，而且，山于损耗存在于转子上，使得散热困难、温升增加，限制了电机转矩重量比的进一步提高。使用交流伺服驱动系统取代直流有刷调速系统是目前研究的一个重要方向。一种方案是采用感应电动机作为驱动电机，感应电动机本身比直流电动机具有寿命长、免维护等优点，但是为了获得较宽的调速范围(一般跑步机的调速比约为 25:l)，需要采用较为复杂的矢量控制技术，电机的参数变化对其也有较大影响，目

15、前用感应电动机构成伺服系统的总成本比直流伺服系统要高。韩国秀健健身集团曾推出使用高性能交流伺服驱动系统的电动跑步机。另一种方案采用正弦波驱动的永磁同步电机驱动系统，利用磁场定向矢量控制技术，较感应电动机易于实现，并采用非接触式的电子换向结构，在高档跑步机的应用领域具有较广阔的发展前景。而无刷直流电动机调速系统在电动跑步机上的应用也是研究的一大热点。一方面，无刷直流电动机具有有刷直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点;另方而，由于其采用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向结构，从而又具有交流电动机结构简单、运行共 36 页 第 2 页装订线可靠、维护方便等一系列优点。因此，采

16、用无刷直流电动机调速系统较其它方案具有更高的性价比。而对于电动跑步机系统，由于其要求较大的起动转矩，所以，采用带位置传感器的 PWM 调速系统是性能较好的方案。对于其具体的实现方案主要有两种，一种是以无刷直流电机专用控制芯片为核心控制单元构成无刷电动机调速系统。最具代表性的是 MOTOROLA 公司生产的第二代无刷电机控制专用芯片 MC33035，它集成了译码、PWM 生成、保护等无刷电机控制的诸多功能，组成的系统所需外围电路结构简单，运行可靠，可与同系列芯片MC33039 配合构成速度闭环控制，具有较好的调速性能，其不足之处在于调速式单一，无法使用较为复杂的算法。另一种方案是采用高性能的微控

17、制芯片对无刷电机进行控制，控制方式灵活，调速系统具有更高的性能。1.2.21.2.2 家庭用小型跑步机家庭用小型跑步机对于价格相对便宜的家庭用小型跑步机，主要是根据市场的实际需求，在保证技术指标的前提下，尽量考虑设计的经济性和实用性。因此，家庭用跑步机几乎都采用的是直流有刷调速系统。例如，国内某型号的跑步机，采用低价位的 8 位单片机 AT89C2051 为核心单元构成了直流有刷电机调速系统，电机采用脉宽调制方式进行调速，通过软件编程改变控制算法，增加了控制的灵活性，具有较高的性价比。1.3 本文的主要内容 电动跑步机用直流电动机需要高效率、高功率密度、大输出转矩和宽调速范围。对于这样的驱动性

18、能要求，应从系统的角度对控制方法和电机系统进行综合设计。本文着重于对电动跑步机用直流电动机调速系统进行分析和设计，为直流电动机调速系统在电动跑步机中的应用提供基础。基于这一基本思想，本文主要设计系统结构、和控制方法，并在此基础上以 C51 单片机为控制核心，设计直流电动机数字化闭环调速系统，包括系统软、硬件的设计。共 36 页 第 4 页装订线第二章 系统总体方案设定2.1 系统组成电动跑步机以电为动力，通过控制驱动电机的转动来带动跑步机底座上滚筒的转动，进而实现跑步带的移动。而锻炼者要保持在跑步带上的位置，则必须以与跑步带速度大小相等、方向相反的速度跑步，从而达到锻炼的目的。电动跑步机控制系

19、统一般由三大部分组成，分别为人机交互部分(主要实现使用者的命令输入和跑步机运行过程中的时间、速度以及消耗的能量等的信息显示)、调速部分(根据使用者的速度设定来控制跑步带驱动电机的转速，从而实现跑步带的速度控制)和生理信号(如心率)测量部分。很显然，调速部分是整个电动跑步机控制系统的核心，它的性能对整个跑步机系统至关重要。本系统主要由按键模块，显示模块，PWM 驱动模块与速度检测模块组成。2.2 系统控制方案设计系统控制系统主要有开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。本系统选择单闭环控制系统，由按键模块输出电机的正反转与速度增减控制信号，然后由控制芯片软件生成 PWM 控制信号控制电机的运转

20、状态，实现跑步机的调速与启动，并由速度检测模块检测到电机的转速并送到显示模块，在 LED 显示屏上显示跑步机电机的实际运行速度。控制框图如图 2-1 所示：图 2-1 系统控制框图主控芯片PWM驱动电路直流电机速度检测控制面板共 36 页 第 5 页装订线2.3 系统总体方案设计2.3.12.3.1 系统控制器的选择系统控制器的选择常见的系统控制器可以选择单片机和 PLC。单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：种类多，型号全；提高性能，扩大容量，性能价格比高；增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展。把原本是外围接口芯片的功

21、能集成到一块芯片内，在一片芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理应用系统；低功耗； C 语言开发环境，友好的人机互交环境可编程控制器简称 PLC，它的特点如下：可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能；适用性强，除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中；易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备； 体积小，重量轻，能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。在选择微处理器上，不仅要注重满足技术要求，还要综合考虑成本因素，不应片面

22、追求微处理器的高速和高位数。本研究是对低频的加速度信号在时域里进行处理，因此选择单片机比较理想。2.3.22.3.2 检测元件的选择检测元件的选择22本课题研究的是直流调速系统，对电动机转速的检测是必须的过程。测量系统转速信号检测元件选用型号为 DN6837 开关集成霍尔传感器。由霍尔效应原理可知, 当霍尔片处于磁场中, 并在垂直于磁场的方向上通以电流时, 霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差输出。当通过霍尔片的电流恒定不变时, 改变磁场的大小, 可以改变霍尔电势差。开关型霍尔传感器由稳压器、硅霍尔片、差分放大器、施密特触发器和 OC 门输出五部分组成,从输入端输入电压, 经稳压器

23、稳压后加在硅霍尔片的两端, 以提供恒定不变的工作电流。在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差 V H , 该 V H 信号经差分放大器放大后送至施密特触发器整形。当磁场达到“工作点”时, 触发器输出高电压(相对于地电位) , 使三极管导通, 输出端输出低电位,此状态称为“开” 。当施加的磁场达到“释放点”时, 触发器输出低电压, 使三极管截止, 输出端输出高电位, 此状态称为“关” 。这样 2 次高共 36 页 第 6 页装订线低电位变换, 使霍尔传感器完成了 1 次开关动作。在此差值内, 输出电位保持高电位或低电位不变, 因而输出稳定可靠。将一个专用的测速齿轮，固定在待测转速电

24、动机的轴上（为了精确起见, 根据实际电动机外圆轴承的直径大小，设计测速齿轮内径与之相等，齿轮的齿数定为 44 个， 一般齿数最好为偶数，且齿隙尽可能小)。对测速齿轮材料要求不高，只要是铁质的，齿厚大于 2mm 即可，将之固定在待测转速的轴上。把探头(霍尔元件) 固定在距齿轮外圆 1mm 的支架上, 在霍尔元件的正对面贴一小块磁钢（B18000T，B 为磁钢强度要求） ，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，探头就输出一个标准的脉冲信号。2.3.32.3.3 输入通道方案选择输入通道方案选择系统由按键模块将控制信息输入单片机中，由单片机通过软件产生 PWM 控制信号来控制跑步机电动

25、机的运转状态与转速。速度检测电路将霍尔传感器采样得到的脉冲信号经过处理后通过 89C51 的计数器得到单位时间内的脉冲数，从而通过程序计算出电动机的实际转速。2.3.42.3.4 外围接口设备的选择：外围接口设备的选择：（1）显示器的选择常用的显示器分 LED 和 LCD 显示器。LED（Light Emitting Diode）是发光二极管英文名称的缩写。LED 显示器是由发光二极管构成的，LED 显示器在单片机系统中应用非常普遍。常用的LED 显示器为 8 段（8 段比 7 段多了一个小数点“dp”段） 。每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阴极和共阳极两种。共阴极 LED 显示器的发

26、光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为 LED 显示器提供代码，因为这些代码可使 LED 相应的段发光，从而显示不同字型，因此该 称之为段码（或称为字型码） 。LED 显示有静态显示和动态显示 2 种显示方式。LCD（Liquid Crystal Display）是液晶显示器英文的缩写，液晶

27、显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能够改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字显示目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛地使用在仪器仪表和控制系统中。共 36 页 第 7 页装订线液晶显示器按排列形状可分为字段型、点阵字符型和点阵图形型。1.字段型。字段型是以长条状组成的字符显示。该类显示器主要用于数字显示，也可用于显示西方文字母或某些字符，已经广泛用于电子表、数字仪表、计算器中。2.点阵字符型。点阵字符型液晶显示模块是专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶显示模块。广泛应用于各类单片机应用系统中。3.点阵图形型。主要用于游戏机、

28、笔记本电脑和彩色平板电视等高清晰数码产品上。综合考虑本方案选择 LED 显示器。（2）键盘的选择在单片机应用系统中，为了了解控制系统的工作状态以及向系统输入数据和控制命令，一般都需要设置键盘。常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结复杂，固此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它有行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。 根据设计需求本方案选择的是独立式按键。共 3

29、6 页 第 8 页装订线第三章 系统硬件设计3.1 控制单元电路设计3.1.1.3.1.1. AT89C51AT89C51 引脚特性：引脚特性：88AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相

30、兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 共 36 页 第 9 页装订线系统管脚如 3-1 所示： 图 3

31、-1 AT89C51 管脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部 必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，

32、这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部共 36 页 第 9 页装订线数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLA

33、SH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通

34、）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOV

35、C 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。EA、VPP：当 EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，EA 将内部锁定为共 36 页 第 10 页装订线RESET；当 EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反

36、向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。其特点如下:片内有 4K 字节在线可重复编程快擦写程序存储器;全静态工作，工作范围 OHz-24MHz;128X8 位内部 RAM;32 位双向输入输出线;两个十六位定时器/计数器;五个中断源，两级中断优先级;一个全双工的异步串行口;间歇和掉电工作方式。AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有 4K 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除 10000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令引角上完全兼容，不仅可完全替代 MCS-51系列单片机，而且能

37、使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 无需外扩程序存储器和数据存储器，就可构成真正的单片机最小应用系统，从而缩小系统的体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于 4K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 SV 电压编程，而且擦写时间仅需 1 Oms，仅为 8751/87051 擦除时 17 的百分之一，与 8751/87051 的12V 电压擦写时间相比，不易损坏器件，没有两种电源的需求，改写时不必拨下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围 2.76V,全静态工作，工作频率宽在 24MHz，比 8751 /87051 等 51 系列的 6MHz2

38、4MHz 更具有灵活性，系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活的硬件加密手段，能完全保证程序和系统不被仿制。3.1.2.3.1.2.时钟电路设计时钟电路设计88外接晶体以及电容构成并联谐振电路，接在 AT89C51 内部放大器的反馈回路中，电路原理图如图 3-2 所示。对外接电容的值虽然没有严格的的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，典型值通常选择为 30pF，这时对应的时钟频率为 12MHz。在设计电路板时，晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好共 36 页 第 11 页装订线地保证振荡

39、器稳定和可靠工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的高频电容。 设 AT89C51 单片机的机器周期为 T，晶振频率为 H，一个机器周期由 12个振荡周期组成，则机器周期的计算公式为:T=12/H=12 /(12 x 106)=lsAT89C51 的指令周期一般有 12 个机器周期，只有乘除两条指令占 4 个机器周期，本系统采用 12MHz 晶体做主振频率，一个机器周期为 ls，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为 1s(这样的指令约占全部指令的一半)，2s,4s。1234ABCD4321DCBAT itleN umberR evisionSizeBD ate:7-Jun -2 0

40、09 Sh eet of File:D :Prog ram F ilesD esign Exp lorer 99 SE E xamples件件.D DBD raw n By:12 0M H Z30 P30 PX TA L1X TA L2V ssA T89C51图 3-2 时钟电路原理图3.1.3.3.1.3.复位电路设计复位电路设计在跑步机使用过程中，随着使用者的使用，会受到来自外部环境和内部环境的干扰，会使指令的操作码和地址码发生变化致使该条指令出错。这时，CPU 执行随机拼写的指令，导致程序“跑飞”或进入“死循环” 。为使这种程序的“跑飞”和“死循环”自动恢复，重新正常工作，可采用硬件“看

41、门狗”技术，用看门狗监视程序的运行。若程序发生“跑飞”或“死循环” ，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。本系统采用 MAX813L 构成看门狗电路，其电路原理图如下图 3-3 所示: 1234ABCD4321DCBAT itleN umberR evisionSizeBD ate:7-Jun -2 009 Sh eet of File:D :Prog ram F ilesD esign Exp lo rer 99 SE E xamples件件.D DBD raw n By:PFO5W D16R ESE T7G ND3PF14V cc2M R1W D08M AX 81 3LU

42、 ?1k10 k+12+12V74 HC 08R ESE TC 1+5V图 3-3 复位电路原理图共 36 页 第 12 页装订线 MAX813L 芯片特点为:加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度的典型值为 200ms;独立的看门狗输出，如果看门狗输入在 1.6s内未被触发，其输出将变成高电平;1.25 V 门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+SV 以外的电源监控;低电平有效的手动复位输入;8 引脚 DXP封装。引脚功能如下:(1)手动复位输入端（MR） 当该端输入低电平保持 140ms 以上时，MAX813L 就输出复位信号。该输入端的输入脉宽要求可以有效地

43、消除开关的抖动，MR 与 TTL/CMOS 电平兼容。(2)工作电源端(VCC):接正+5V 电源(3)电源接地端(GND):接 OV 参考电平。(4)电源故障输入端(PFI )该端输入电压低于 1.25 V 时，5 号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。(5)电源故障输出端(PFO ) 电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。(6)看门狗信号输入端 WDI 程序在正常运行时，必须在小于 1.6s 的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内的看门狗定时器。若超过 1.6s 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8 号引脚由高电平变为低电平。(7)复位

44、信号输出端(RST) 上电时，自动产生 200ms 的复位脉冲，手动复位端输入低电平时，该端产生复位信号输出。(8)看门狗信号输出端(WDO ) 正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。本电路利用 MAX813L 的手动复位输入端，一旦程序跑飞引起程序“死机”WDO 高电平由高变低，当 WDO 变低超过 140ms，将引起 MAX813L 的一个 200ms的复位脉冲，同时使看门狗定时器清 0 和使 WDO 引脚变为高电平。也可以随时使用手动复位按扭使 MAX813L 产生复位脉冲。该电路还要实时监视电源故障，如电源掉电、电压降低。电源正常时，调节可调电阻，确保

45、 R3 上的电压高于 1.26V，即保证 MAX813L 的 PFI 输入端高于共 36 页 第 13 页装订线1.26V，当电源发生故障，PFI 输入端电平低于 I .25V 时，电源故障输出端PFO 电平由高变低，引起单片机 INT 0 中断，CPU 响应中断，执行相应的中断服务程序，保护外部数据。3.2 信号检测电路设计1在该系统中主要检测的对象是电动机转速的检测，本测量系统转速信号检测点采用型号为 DN6837 开关集成霍尔传感器。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速

46、。此元件是 OC 门，因此在输出端与电源之间要接一个 1.5K 电阻。为了提高其带负载能力, 接一个三极管放大电路 L 通过晶体管的集电极输出信号，并且输出的脉冲信号无需进行整形(集成霍尔传感器片内设有稳压电路、施密特电路)。检测电路原理图如图 3-4 所示。1234ABCD4321DCBAT itleN umberR evisionSizeBD ate:24-M ay-2009Sheet of File:D :Program F ilesD esign Explorer 99 SE E xamples件件件.D DBD raw n By:+5V1.5K1K1k件件件件件件件件件件图 3-4

47、速度检测电路3.3 控制电路设计3、5本系统用电动机 PWM 驱动模块的电路设计与实现具体电路见图 3-5 所示。本电路采用的是基于 PWM 原理的 H 型桥式驱动电路。PWM 电路由四个大功率晶体管组成 H 型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4 个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4 个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。控制系统电压统一为 5v 电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，共 36 页 第 14 页装订线则控制电压最高为 5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的

48、电压就只有4V 左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，运用了 4N25 光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接 12V 电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。在电动机驱动信号方面，采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在 40Hz 以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在 10Hz 以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在 1

49、5Hz-30Hz 时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 N1 输入信号，N2 输入低电平与 N1 输入低电平，N2 输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度调节方面，可以通过对占空比以 10%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。1234ABCD4321DCBAT itleN umberR evisionSizeBD ate:25-M ay-2009Sheet of File:D :Program F ilesD esign Explorer 99 SE E xamples件件.D DBD raw n By:A-

50、+U ?U ?O PT OISO 156k56k10k10kV CCN2件AT89C51件 P20件N1件AT89C51 件P20件V CC图 3-5 控制电路原理图3.4 外围设备接口电路设计 3.4.1.1.显示器接口电路设计显示器接口电路设计1414为了随时监视电动机的转速并且不占用 CPU 的很多时间，本系统采用了静态串行显示电路，电路原理图如图 3-6 所示：共 36 页 第 16 页装订线图 3-6 显示器接口电路原理图 3.4.2.3.4.2.键盘接口电路设计键盘接口电路设计本系统的键盘采用独立式按键，按键直接与 89C51 的 I/O 口线相连，可直接读入按键状态，然后用查询方

51、式识别出按下的键。此时查询的过程键功能的优先权。按键接口电路原理如图 3-7 所示:1234ABCD4321DCBAT itleN umberR evisionSizeBD ate:25 -M ay-20 09Sh eet of File:D :Prog ram F ilesD esign Exp lorer 99 SE E xamples件件.D DBD raw n By:abfcgde1234567abcdefg8dpdpA1B2Q 03Q 14Q 25Q 36C LK IN8C LR9Q 410Q 511Q 612Q 713V CC14abfcgde1234567abcdefg8dpdp

52、A1B2Q 03Q 14Q 25Q 36C LK IN8C LR9Q 410Q 511Q 612Q 713V CC1474 LS 16 4abfcgde1234567abcdefg8dpdpA1B2Q 03Q 14Q 25Q 36C LK IN8C LR9Q 410Q 511Q 612Q 713V CC14件+5VR xDT xDIN T0共 36 页 第 16 页装订线图 3-7 按键电路原理图第四章 系统软件设计4.1 总体设计思想4.1.1.4.1.1.系统工作原理系统工作原理本系统通过按键连接单片机改变 PWM 驱动电路的参数控制电动机的转速与转向等运动状态，速度检测电路将检测到得速度

53、信号送入单片机进行运算与转化输出到显示器，在显示器上显示电动机的实际转速。操作者可以非常方便的改变跑步机的速度而且可以很直观的了解当前转速。4.1.2.4.1.2.程序设计法的选择程序设计法的选择通常应用程序设计的方法有：模块化设计法和结构化设计法。模块化设计法：所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。模块化设计的

54、主要方式有：（1）横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种；（2）纵系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用；（3）横系列和跨系列模块化设计。除发展

55、横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了；（4）全系列模块化设计。全系列包括纵系列和横系列；（5）全系列和跨系列模块化设计。主要是在全系列基础上用于结构比较共 36 页 第 17 页装订线类似的跨产品的模块化设计上。结构化设计法:结构化程序设计使一种采用结构化的方式编制程序的方法。这种方法不是步就编成可执行的程序，而是分步进行，逐步求精第一步编写出的程序的抽象级最高，第二步编写出的程序的抽象级比第一步低，依此类推，第 1 步编写出的程序的抽象级比第 1-l 步低，直到最后，第 n 步编写出的程序即为可执行的程序采用这种方法编制程序。看起来似乎复杂，其

56、实好处很多，可使程序易读。易写、易调试、易堆护，易于验证和保征程序的正确性特别是，在软件工程中采用这种方法，可以收到较好的效果所以将这种方法称之为自顶向下或逐步求精法。具体地说，结构化程序设计方法是，首先提出解陕闻题的办法。然后再逐步改进并完善这个解决办法。直到获得一个可执行的程序为止。因此算法设计的第一步只是用文字或公式描述，没有细节，亦不要考虑对象如何表示；然后将其进一步分解成若干个子任务继而类似地对这些子任务再进行分解，直到能用程序设计语言来描述这些子任务为止。根据系统的工作过程，本设计采用模块化设计方法，主要包括：主程序模块、数据采集及处理子程序模块、控制算法子程序模块以及键盘显示程序

57、模块。4.1.3.4.1.3.程序设计语言的选择程序设计语言的选择常用的编程语言有：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言：机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言，指令是用 0 和 1 组成的一串代码，它们有一定的位数，并分成若干段，各段的编码表示不同的含义，例如某台计算机字长为 16 位，即有 16 个二进制数组成一条指令或其它信息。16 个 0 和 1 可组成各种排列组合，通过线路变成电信号，让计算机执行各种不同的操作。机器语言或称为二进制代码语言，计算机可以直接识别，不需要进行任何翻译。每台机器的指令，其格式和代码所代表的含义都是硬性规定的，故称之为面向机器的语言，也称为机器语言

58、。它是第一代的计算机语言。机器语言对不同型号的计算机来说一般是不同的。汇编语言：汇编语言是面向机器的程序设计语言.汇编语言是一种功能很强的程序设计语言,也是利用计算机所有特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如 MASM, TASM 等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同共 36 页 第 18 页装订线于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows 的

59、应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编语言编译器把汇编程序翻译成机器语言的过程称为汇编。汇编语言的特点:1.面向机器的低级语言，是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。2.保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。3.可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O 端口等。4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。5.经常与高级语言

60、配合使用，应用十分广泛。高级语言：由于汇编语言依赖于硬件体系，且助记符量大难记，于是人们又发明了更加易用的所谓高级语言。在这种语言下，其语法和结构更类似普通英文，且由于远离对硬件的直接操作，使得一般人经过学习之后都可以编程。高级语言通常按其基本类型、代系、实现方式、应用范围等分类：（1）命令式语言；（2）函数式语言；（3）逻辑式语言；（4）面向对象语言。根据以上编程语言的特点，本系统采用汇编语言编写程序。4.2 主程序的设计控制系统的软件是根据系统的功能而设计的。在可靠与实用的设计要求下，它需要实现的功能有:系统输入信号的采集与处理、变参数模糊 PID 控制算法的以及控制量的输出等。初始化程序还要设置