2.3 跑步机启/停和速度控制模块的硬件设计

2.3.1 跑步机启/停和速度控制硬件系统的模块划分

跑步机启/停和速度控制模块的硬件划分如图2.2所示，由51单片机、按键输入模块和显示模块组成，其各个部分详细说明如下。

（1）51单片机：跑步机启/停和速度控制模块系统的核心控制器。

（2）按键输入模块：提供用户的输入通道。

（3）显示模块：显示跑步机当前的工作状态，包括速度和启/停等。

2.3.2 跑步机启/停和速度控制模块的电路

跑步机启/停和速度控制模块的电路如图2.3所示，51单片机使用P1.0扩展了一个独立按键K1作为跑步机的启动、停止和暂停控制，使用P1.4和P1.7引脚扩展了K1和K2用作速度增加和速度减小的控制；使用P2和P0引脚分别扩展了两位独立数码管用作速度显示模块，使用P3.0和P3.7扩展两个发光二极管作为工作状态指示。

跑步机启/停和速度控制模块涉及的典型器件说明参见表2.1。

2.3.3 硬件模块基础——独立按键

独立按键是51单片机应用系统中最常用的人机交互通道器件之一，通常用于给用户提供向51单片机输入信息的通道。

独立按键的工作基本原理是被按下时按键接通两个点，放开时则断开这两个点。按照结构可以把按键分为两类：触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；无触点开关按键，如电气式按键、磁感应按键等。

51单片机应用系统中典型的独立按键应用电路如图2.4所示，按键的一端连接到电源地，而另外一端通过一个电阻连接到电源正电压端，同时还连接到单片机的I/O引脚上。当按键没有被按下的时候，单片机的I/O引脚通过电阻连接到VCC上，I/O引脚上被加上了一个高电平；当按键被按下的时候，单片机的I/O引脚直接连接到电源地，被加上低电平。

注意：图中P1.7引脚上没有加上拉电阻，因为51单片机的P2.7引脚内置一个上拉电阻，而P2引脚内部不带上拉电阻的必须外加电阻且该电阻不能太小，以防止电流过大烧毁单片机I/O引脚，通常以10kΩ左右为宜。

2.3.4 硬件模块基础——数码管

数码管是一种由多个发光二极管组成的半导体发光器件，常见的数码管可以按照显示的段数分为7段数码管、8段数码管和异形数码管；按能显示多少个字符/数字可以分为一位、两位等“X”位数码管；按照数码管中各个发光二极管的连接方式可以分为共阴极数码管和共阳极数码管。

数码管本质是组合在一起的8个发光二极管，通过点亮不同的发光二极管组合可用来显示数字0～9、字符A、F、H、L、P、R、U、Y，以及符号“-”和小数点“.”。图2.5是数码管的引脚定义和内部等效发光二极管结构示意，可以看到共阴极数码管和共阳极数码管的内部连接方式是不同的。

从图2.5中可以看到，当数码管内部的发光二极管被点亮时，对应的数码管段发光，所以可以根据数码管需要显示的数字或者字符推导出，需要外加在数码管引脚上的电平组合，这个过程被称为对数码管进行字形编码。由于共阴极和共阳极的数码管结构不同，所以其对应的编码也不同，参见表2.2。

和发光二极管类似，数码管也有“灌电流”和“拉电流”两种不同的驱动方式。