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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
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DC electric treadmill speed control system
[Abstract]In recent years, with socio-economic development and people's living standards, people's own health is also increasingly concerned about the fitness 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-added 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 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 theoretical 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 system design such a detailed description.
[Key words] treadmill speed control system single-chip computer
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目录
第一章绪论 (1)
1.1课题研究目的和意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1 专业跑步机 (2)
1.2.2 家庭用小型跑步机 (3)
1.3本文的主要内容 (3)
第二章系统总体方案设定 (4)
2.1系统组成 (4)
2.2系统控制方案设计 (4)
2.3系统总体方案设计 (5)
2.3.1 系统控制器的选择 (5)
2.3.2 检测元件的选择 (5)
2.3.3 输入通道方案选择 (6)
2.3.4外围接口设备的选择 (6)
第三章系统硬件设计 (8)
3.1控制单元电路设计 (8)
3.1.1.AT89C51引脚特性 (8)
3.1.2.时钟电路设计 (11)
3.1.3.复位电路设计 (12)
3.2信号检测电路设计 (14)
3.3控制电路设计 (14)
3.4外围设备接口电路设计 (15)
3.4.1.显示器接口电路设计 (15)
3.4.2.键盘接口电路设计 (16)
第四章系统软件设计 (17)
4.1总体设计思想 (17)
4.1.1.系统工作原理 (17)
4.1.2.程序设计法的选择 (17)
4.1.3.程序设计语言的选择 (18)
4.2主程序的设计 (19)
4.3PWM控制子程序设计 (20)
4.4数码管显示程序 (25)
┊┊┊┊┊┊装┊┊订┊┊线┊┊┊┊┊┊第五章总结 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
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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，
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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:
1.2.1 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，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、运行可靠、维护方便等一系列优点。因此，采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
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1.2.2 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。
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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
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2.3.1 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。
2.3.2 检测元件的选择[2]
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
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将一个专用的测速齿轮，固定在待测转速电动机的轴上（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（B>18000T，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。
2.3.3 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。
2.3.4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。
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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、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。
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第三章系统硬件设计
3.1 控制单元电路设计
3.1.1. AT89C51引脚特性：[8]
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash 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RAM·32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
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图3-1 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，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
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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FLASH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）
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，MOVC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。
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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 2.7~6V,全静态工作，工作频率宽在24MHz，比8751 /87051等51系列的6MHz~24MHz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.时钟电路设计[8]
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，更好地保证振荡器稳定和可靠工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的高频电容。
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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)=lμs
AT89C51的指令周期一般有1~2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lμs，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为1μs(这样的指令约占全部指令的一半)，2μs,4μs。
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Title
Number R evi sion
Si ze
B
Date:7-Jun-2009Sh eet of
Fi le:D:\Prog ram F iles\Desi gn Exp lorer 99 SE\Exampl es\跑步.DDB
Drawn By:
120M HZ
30P
30P
XTAL1
XTAL2
Vss
AT89C51
图3-2 时钟电路原理图
3.1.3.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:
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C
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A
Title
Number R evi sion
Si ze
B
Date:7-Jun-2009Sh eet of
Fi le:D:\Prog ram F iles\Desi gn Exp lo rer 99 SE\Exampl es\跑步.DDB
Drawn By:
PFO
5
WD1
6
R ESET
7
GND
3
PF1
4
Vcc
2
M R
1
WD0
8
M AX813L
U?
1k
10k
+12
+12V
74HC08
R ESET
C1
+5V
图3-3 复位电路原理图
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
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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R3上的电压高于1.26V，即保证MAX813L的PFI输入端高于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。
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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。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。
1234A
B
C
D
4
3
2
1
D
C
B
A
Title
Number R evi sion
Si ze
B
Date:24-M ay-2009Sheet of
Fi le:D:\Program F iles\Desi gn Explorer 99 SE\Exampl es\跑步几.DDB
Drawn By:
+5V
1.5K
1K
1k
霍尔元件
输出脉冲信号
图3-4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，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。
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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15Hz-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。
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3
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1
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Title
Number R evi sion
Si ze
B
Date:25-M ay-2009Sh eet of
Fi le:D:\Prog ram F iles\Desi gn Exp lorer 99 SE\Exampl es\跑步.DDB
Drawn By:
A-
+
U?U?
OPTOISO1
56k56k
10k10k
VCC
N2接AT89C51的 P20口N1接AT89C51的P20口
VCC
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.显示器接口电路设计[14
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：
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图3-6 显示器接口电路原理图
3.4.2.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:
图3-7 按键电路原理图
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A
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C
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T itle
Number R evi sion
Si ze
B
Date:25-M ay-2009Sh eet of
Fi le:D:\Prog ram F iles\Desi gn Exp lorer 99 SE\E xampl es\跑步.DDB
Drawn By:
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VCC
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74LS164
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Q0
3
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＆
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T xD
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