绿色机电产品综合设计知冷暖的绿色健身器.docx
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绿色机电产品综合设计知冷暖的绿色健身器
1前言
1.1健身器械发电的发展现状
健身器械发电技术在国内外已被开发应用，把健身与娱乐两者结合起来。
现已应用的是以旋转类运动器材为主的发电设备。
美国一家饮料公司的员工蹬起了健身发电车，将产生的电能储存在电池中，供其他电器使用；英国一家夜总会舞池的地面能依据人们的动作，将机械能直接转化为电能；在我国，利用健身车产生的电能供给手机充电或照明，均都显示健身发电已被人们重视。
在国内，健身器械的制造与西方发达国家相比还存在较大差距。
我国处于起步和初期阶段，健身俱乐部所选用的健身器械和经营模式都较为传统，经营者对新技术缺乏关注，利用人力发电的健身器材的应用具有重要的实际意义。
1.2选题的背景与意义
如今科技飞速发展，百姓的生活水平都有了很大的提高。
时下健身以成为一种时尚，针对人们健身后出现的口渴出汗等生理现象，设计了这一款带有小型制冷设备的健身器械。
人们健身过程中会产生很多的能量，把这些能量转换为电能加以综合利用。
不仅节约了宝贵的非可再生能源，同时也会给人们带来更加舒适环保的环境。
健身器械的设计与人有着紧密的联系，反应更加人性化的设计理念，保证人的健康舒适。
利用健身场所中人体消耗的能量发电以供其他设备使用，是对节能环保主题的探索。
健身发电是具有规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，是获得能源的二次利用、变废为宝的典范。
1.3总体方案设计
根据健身自行车发电的特点考虑，我提出了两种设计方案供选择。
方案一：
人脚蹬自行车踏板，带动车的后轮转动，后轮通过皮带传动带动发电机转子转动。
此传动装置中，皮带轮上的包角和两轴中心距不易确定，并且需要张紧装置。
采用交流发电机，输出的是电压、频率不稳定的交流电，经交流调压和交交变频电路变为频率稳定的交流电，供负载用电和蓄电池充电。
但是交交变频电路只能工作在工频50HZ的交流电变为可调频率的交流电，而发电机输出的是频率不断变化的交流电。
因此，此方案不可行。
方案二：
人脚蹬自行车踏板，带动车的后轮转动，后轮通过摩擦轮传动带动发电机转子转动，此传动装置中，灵活方便易操作，工作平稳，噪声小，能够保证准确的传动比，且传动效率高。
采用的是直流发电机，输出电压不稳定的直流电，通过降压稳压电路，获得稳定性足够高的直流电，供负载用电和蓄电池充电。
因此，通过以上两种方案比较，我选择方案二。
1.3.1整体设计思路
1.3.2整体构造分析
利用健身自行车链轮、摩擦轮的机械传动，带动微型发电机转子的转动。
经过稳压电路，将微型发电机产生的直流电储存在蓄电池中。
供小型制冷机正常工作，利用半导体的珀尔帖效应，同时实现制冷制热。
为了使健身者能够享受到更加舒适的健身环境，蓄电池也可驱动一个小风扇，将制冷机的低温气体吹送给健身者，健身者同时可以观赏者Mp5播放的影视。
另外，由于室内空气较浑，还可驱动一个负离子发生器工作，给健身者带来更加舒适愉悦的健身环境。
（由于产生的电能有限，健身者可根据实际情况选择合适的电器使用。
）
2机械部分设计
2.1机械传动部分设计
机械传动部分主要由链轮、飞轮、摩擦轮组成。
链轮传动具有传动效率高，工作可靠，结构紧凑，占据空间小，传动比稳定等优点。
同时链轮的制造及安装精度低，成本较低。
飞轮安装在机器回转轴上，是具有较大的转动惯量的轮状储能器。
当转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。
飞轮还可以用来减少机械运转过程的速度波动。
摩擦轮正常工作时，主动轮可借助摩擦力带动从动轮回转，并使传动保持固定的传动比。
它制造简单、运行平稳、噪声小，能无级的改变传动比。
本次设计是以自行车为载体，链轮传动是本身自带的。
由此，根据普通成年人骑车的转速和发电机的转速确定减速比的范围。
表2.1链传动技术参数
大链轮齿数
小链轮齿数
传动比
中心距
（mm）
40
16
2.5
480
经实际测得，普通成年人骑车的转速为
而发电机的转速约为
。
根据此范围确定传动比：
总传动比：
链传动比：
摩擦轮传动比：
因此，我选取了摩擦轮传动传动比为
。
由于大轮直径为600mm，从而可得摩擦轮直径为75mm。
2.2支架的设计
支架部分在机械设计中也很重要，普通自行车的支架主要作用是不骑自行车时，保持自行车不倒，没有太多的强度和稳定性要求。
而本次设计健身车的主要用途是放在室内或健身场所，长时间处于稳定状态，并且支架承受着整个自行车和人的重量，因此，支架的设计需要较高的强度和稳定性。
图2.1支架结构图
此支架支撑部分是由钢制空心圆管制造，
，稳定安全系数
；外径30mm，内径20mm，杆长356mm；左右两支架之间的距离
；支架底板是用来加强稳定的，总长396mm，厚度15mm；支架上端有两个圆管，外径50mm，内径30mm，长度110mm。
根据自行车轴伸出的螺旋部分和车架圆筒的直径设计一个套筒，人作用的力通过套筒传到支架上。
图2.2套筒
而这个三角支架具有一定的稳定性，由于人骑车时，身体会有所晃动，从而使人的重心有所偏移，根据左右偏移的幅度来设定的支架，从而校核其稳定性。
设定人重心偏移后车轮距离为
，人重量100kg，车重10kg。
支架两支撑点的支撑反力F1、F2，作用在支架上的力F。
（1）
（2）
（3）
算得：
弯矩为：
（4）
（5）
算得：
最大弯矩为
处，也是最危险处。
因此
（6）
算得：
即
，满足强度要求。
杆的横截面惯性矩为：
（7）
杆的临界应力：
（8）
算得：
计算杆的工作安全系数：
满足规定的安全系数，杆满足稳定性要求。
2.3保温箱的设计
保温箱是用来放置半导体制冷器、内胆、驱热风扇以及蓄电池等。
半导体制冷器的内胆用金属材料做成，以利于冷量在箱内大面积传导，便其分散均匀。
用无毒塑料板隔离。
外箱体可由纸板做成。
在内层中填入隔热材料，可选用聚乙烯粉末或包装用的废泡沫，然后做一金属块为储冷器，储冷器的作用是使制冷器产生额的热量更均匀的传导于内胆中。
根据一般饮料瓶及矿泉水瓶的直径和高度大小，可设定内胆为半椭圆柱体，并且分为两部分，用铁丝将他们捆绑在一起。
两部分中间有半导体片和隔热材料。
因此，内胆的尺寸为高度h=155（mm），直径d=80（mm）。
在制冷端安装一个小型风扇，型号：
DC922512SM，额定电压12（V）额定电流0.18（A），尺寸：
（mm）。
储蓄电能的蓄电池也放在了保温箱内，额定电压：
12V，额定容量：
4Ah，尺寸：
（mm）。
并且设计一个槽用来放单片机。
在箱体外壳侧面设计一个孔用来外接线。
设计一个箱体盖尺寸：
（mm）。
整个外箱体的尺寸：
（mm）。
图2.2保温箱的结构图
2.4电机类型与参数的选择
如果采用电励磁发电机，需通入励磁电流才能产生磁场，从而切割磁感线进行发电。
一般并网运行的发电机都从电网电流产生磁场，而健身车发电机是单独运行的，要想得到初始励磁电流只能通过蓄电池，若蓄电池的电恰好用完，那么电励磁发电机根本无法启动。
永磁发电机无滑环、碳刷，定子气隙大。
因此宜采用永磁直流发电机。
2.4.1发电机原理
发电机通常由定子、转子、端盖、机座及轴承等部件构成。
定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。
转子由铁芯、风扇及转轴等部件构成。
由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁感线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生电流。
2.4.2类型功率选择
根据人骑自行车时消耗的功率及可承受的阻力，给出以下额定参数范围可供选择：
1）、额定功率：
根据调查，通常人一小时骑车过程中小号的功率为150~200（W），链传动效率为
，摩擦轮传动效率为
，机械损耗为
。
因此，
。
满载功率为160（W）。
由于单片机控制负载的带动，所以可使用四个发电机，两个功率为60（W）和两个功率为30（W）的发电机。
所以应采用功率小，效率高的发电机。
2）、额定电压：
由于发电机的输出电压就是控制电路的输入电压，发电机额定电压为元器件工作电压10~16（V）。
3）、额定转速：
发电机转速越大，所产生的洛伦兹力越大，人要带动发电机转子所要克服的阻力也越大。
选取额定转速为800~3000（r/min）。
2.4.3技术参数
如下两表为发电机的技术参数：
表2.2发电机1的技术参数
额定电压（V）
额定转速（r/min）
额定功率（W）
尺寸（mm）
重量（g）
24
830
30
325
表2.3发电机2的技术参数
额定电压（V）
额定转速（r/min）
额定功率（W）
尺寸（mm）
重量（g）
24
1900
60
615
2.5半导体制冷器原理
传统的冰箱制冷技术采用氟利昂或其他化合物制剂来实现制冷，这些物质的泄露，对周围环境造成一定得污染。
半导体制冷器是基于半导体制冷技术即电子制冷技术的新型制冷设备，不需要任何制冷剂，利用半导体的珀尔帖效应实现制冷、制热，是一种绿色制冷设备。
半导体制冷片的实物图如下：
图2.3半导体制冷片
半导体制冷片的技术参数为：
表2.4主要规格参数
型号
电流（A）
电压（V）
外形尺寸（mm）
温差（℃）
最大制冷量（W）
重量（g）
TEC1-12706
6
12
40×40×3.6
65
70
41.5
半导体制冷片即热电制冷片，是一种热泵。
利用半导体材料的珀尔帖效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量。
可以实现在一极制冷的同时另一极制热。
其优点为没有滑动部件，能够应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
图2.4半导体制冷片工作原理图
半导体制冷片的工作运转是用的直流电流，既能制冷又能制热。
通过改变直流电流的极性，决定在一制冷片上实现制冷或制热。
它是由了两片陶瓷片组成，中间有N型和P型的半导体材料，应用串联形式连接。
当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端。
由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。
吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。
热电制冷的温差电效应为：
（1）塞贝克效应（SeebeckEffect）
1822年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，若两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
（1）
式中：
为温差电动势
S为温差电动势率
为接点之间的温差
（2）珀尔帖效应（PeltierEffect）
1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克相似的效应，即当电流流经两个不同的导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热和吸热的大小由电流的大小来决定。
（2）
式中：
为放热或吸收功率
为比例系数，称为珀尔帖系数
I为工作电流
为温差电动势率
为冷接点温度
（3）汤姆逊效应（ThomsonEffect）
制冷器的冷端有从周围吸收的热
、焦耳热
、传导热
。
电流从元件内部通过，产生焦耳热，一般传到冷端，一般传到热端。
产冷量：
（3）
式中：
R表示一对电偶的总电阻
K是总热导
热端散热量：
（4）
从上式看出，输入的电功率恰好是热端散掉的热与冷端吸收的热之差：
（5）
因此，得出结论：
一个电偶在热端放出的热量
等于输入电功率与冷端产冷量之和。
反之，冷端产冷量
等于热端放出的热量与输入电功率之差。
3控制部分的设计
3.1温度控制系统
我选择STC89S52RC单片机承担中央处理器的功能。
此温度控制系统为：
利用操作和控制，对采集的数据与设定的温度值进行比较，超出温度上下限进行报警并且断开对半导体的控制。
温度控制系统的设计路线：
第一步：
通过按键设定温度数据。
第二步：
采用温度传感器采集变化的温度数据。
第三步：
采集数据与设定值相比较，超温则报警。
第四步：
利用C语言来实现编程工作。
3.1.1工作原理
温度传感器DS18B20从设备中采集温度，单片机STC89S52RC获取采集的温度值，经过处理后得到当前环境中比较稳定的温度值，将此值与设定的温度上下限值进行比较，若超温，单片机通过三极管驱动继电器断开与半导体制冷片的连接，并且三极管驱动扬声器进行报警，发光二极管亮。
图3.1单片机系统框架图
3.1.2设计要求
基于单片机设计的温度控制器，用于控制温度，设计要求如下：
1.温度连续可调，范围为
，精度
。
2.利用功能键分别控制温度设定，功能转换及温度的增、减和复位。
3.利用数码管显示温度。
4.设置报警电路。
3.1.3单片机系统的组成及介绍
本次设计采用的是STC89C52RC单片机，用它来控制负载的选择以及温度控制系统的超温报警电路。
它是整个控制系统中最核心的部分，包括：
键盘电路、显示器电路、超温报警电路、复位电路、时钟电路、传感器电路及电机的控制。
通过键盘的控制来设定温度，读取显示值，确定超温报警。
下面介绍单片机管脚分布及各个管脚的功能，管脚分布如下图：
图3.2STC89C52RC管脚图
各引脚功能介绍：
（1）电源引脚
和GND
——电源电压，正常运行时为+5V电压
GND——接地
（2）外接晶振或外部振荡器引脚
XTAL1——内部振荡电路反向放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
XTAL2——内部振荡电路反向放大器的输出端。
当采用外部振荡器是时，此引脚接外部振荡源。
（3）控制或与其它电源复用引脚
RST/VPD——复位输入。
RST引脚出现两个机器周期上高电平，单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE以时钟振荡频率的
输出正脉冲信号，所以它可对外输出时钟或用于定时目的。
——外部程序存储器的选通信号。
从外部程序存储器取指令期间，
在每个机器周期内两次有效。
/
——内部程序存储器和外部程序存储器选择端。
当
/
为高电平时访问内部程序存储器，当
/
为低电平时，访问外部程序存储器。
（4）输入/输出引脚
P0口——8位双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器时，分别转换地址和数据总线复用。
P1口——8位准双向并行I/O口。
在片内编程和程序校验期间，作低8位地址总线用。
P1口的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
P2口——8位准双向并行I/O口。
当访问外部存储器时，作高8位地址总线用。
不作外部功能扩展时，则作双准向I/O口用。
在片内程序校验时，作高8位地址线用。
P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
P3口——具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
同时还具有第二特殊功能。
其具体含义如下：
表3.1P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD（P3.0）
串行输入口
T0（P3.4）
定时/计数器0外部输入
TXD（P3.1）
串行输出口
T1（P3.5）
定时/计数器1外部输入
INT0（P3.2）
外中断0
WR（P3.6）
外部数据存储器写选通
INT1（P3.3）
外中断1
RD（P3.7）
外部数据存储器度选通
3.2单片机硬件电路设计
3.2.1温度传感器部分
本设计使用集成式温度传感器，即DS18B20，是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器。
全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，如图3.3。
数字温度传感器芯片封装起来，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，微型化、低功耗、高性能抗干扰能力强，适用小空间及设备数字测温及控制领域，可直接将温度转化为串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理。
这个传感器为电流型，依赖于电流所输出的数值为温度的表示。
其独特性在于灵敏度较高，是具有高阻性质的电源流。
DS18B20是单线制温度传感器IC，1、2脚分别是电源和地，3脚是I/O口。
图3.3温度芯片DS18B20
图3.4DS18B20结构图
DS18B20的特性为：
（1）温度测量范围
，测温分辨率可达
。
（2）具有独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。
（3）测量结果用9位数字量串行方式传送。
（4）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
（5）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。
综上所述，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性能稳定，能用做工业测温元件，并且此元件线形好。
在0-100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
3.2.2键盘电路设计
单片机应用系统中，除了复位键有专门的复位电路及专一的复位功能。
其他的按键及键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
键盘是实现人机对话的一种重要输入方式。
键盘可分为非编码键盘和编码键盘两类。
非编码键盘电路简单，易于实现，有的还可以直接利用单片机的I/0口进行扩展。
按键的闭合和释放、消除键抖动功能都是用软件实现，成本较低。
非编码键盘的识别可以采用查询和中断两种方式，利用中断方式和查询方式的主要区别在于CPU不必像查询方式那样要不断地对键盘是否有按键按下进行查询。
这时CPU可以执行其它的命令或进入休眠状态。
在利用中断方式时，也需要延时以便消除键抖动，通过逐行逐列扫描等步骤确定的哪一个键按下。
中断方式具有更好是实时性。
编码键盘是由硬件电路来实现键盘编码，由硬件来识别按键的闭合和释放、消除按键抖动影响以及实现一些保护措施以实现编码键盘功能。
但是这种系统需要外加芯片，会使系统的设计成本大大增加。
键开关状态的可靠输入：
为了去抖，我采用软件法。
它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，在确认该键电平是否仍保持闭合状态。
如果保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。
键盘输入的主要对象包括各种按键和开关。
这些按键和开关可以独立使用，也可以以组合键的方式使用。
单片机中常用的按键式键盘可以分为两类：
矩阵式和独立连续式。
矩阵式键盘是指由若干个按键组成的开关矩阵。
这种键盘适合采用动态扫描方式进行识别，即：
如果采用高电平扫描，则回送线必须被下拉为低电平。
如果采用低电压扫描，回送线必须被上拉为高电平。
这种键盘的优点是控制功能较多，矩阵按键与功能直接对应，每一按键接通只给CPU送入预先设定的指令：
使用较少的I/0端口线可以实现对较多键的控制。
为了减少键盘与单片机接口所占用的I/0端口线的数目，我采用的是4行4列矩阵键盘，把16个键排列成4X4的矩阵形式，则只需使用一个8位I/0端口就可完成控制。
该矩阵键盘的电路结构图如下：
图3.5键盘电路设计
键盘中共有16个键用于方便设定温度:
4
0
…控制电机；
5
控制半导体制冷器；
6
控制小型风扇；
C
设置温度加一；
D
设置温度减一
*
设置的确认,修改设置温度时进行确认；
#
设置的清除,修改设置温度时进行清除；
A
开启电源；
B
关闭电源；
0
显示及设置转换到温度点1,按此键后，显示预设温度的数码管闪烁；
9
显示及设置转换到温度点2,按此键后，显示预设温度的数码管闪烁；
3.2.3数码管显示电路设计
本部分电路主要使用七段数码管，以及74LS47和74LS138。
P1.0-1.2通过74LS138分别接8位数码管的控制口，分别控制8个数据的显示与否。
P1.4-P1.7通过74LS47分别接8位数码管的8个复用数据口。
8位数码管是动态扫描显示的，控制位为0表示该位显示，为1表示该位不显示，动态显示时始终保持1位显示，而其它位不显示。
比如显示1234ABCD，首先是P1.0保持低电平，P1.1和P1.2口位都保持高电平，然后把1的字型码发到数据口P1.4口，延时10ms；在把P1.0保持低电平，P1口其它位均保持高电平，然后把2的字型码发送到P1.4-P1.7，延时10ms---如此把“1234ABCD”都发一遍，即实现了动态刷新。
虽然每次只有一位显示数字，但由于人眼的迟滞性，看到的即是静态的。
图3.6数码管电路设计
3.2.4复位电路设计
复位是单片机的初始化操作，它的主要功能是使单片机初始化为0000H，使其从0000H单元开始执行程序。
不仅能使系统进入正常初始化，而且当程序运行出错使系统处于锁死状态时，能使单片机重新正常工作，也需按复位键以重新启动。
RSET引脚是复位的输入端。
复位信号有效时为高电平，其有效持续时间24个震荡脉冲周期。
如果使用频率是6MHZ的晶振，那么复位信号持续时间应超过4us才可完成复位操作。
复位引脚上出现2个机器周期的高电平，单片机就能完成复位。
图3.7复位电路设计
3.2.5时钟电路设计
时钟电路设计是当单片机工作时，提供所需要的时钟信号。
单片机本身就是一个复杂的同步时序电路程序，为了保证实现同步工作方式，电路应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序进行工作。
时钟系统是微型计算机控制器（MCU）的一个重要部分，它产生的时钟信号能贯彻整个芯片。
时钟系统设计得好坏关系到整个芯片组能否正常工作。
然而它不适合应用在各种高性能微处理器芯片上。
而采用人工设计逻辑并手工输入电路图的方法，形成的时钟信号能使设计的电路灵活，性能更好。
CPU核分微处理器（MPU）和微控制器（MCU）两种，两者的基本时钟一般都以单频方波的形式提供。
时钟信号有三种产生方式：
一是用压控振荡跟据声音可调频范围较宽的时钟信号；二是用晶体振荡器产生精确而稳定的时钟信号：
三是结合以上两种方法，用压控振荡器来生成时钟信号。
基于时钟信号的产生包括内部方式和外部方式两种，本次设计采用内时钟方式。
内时钟方式是指：
利用芯片内部电路；在XTALl，XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器能产生自激振荡，,定时元件常采用石英晶体和电容的并联谐振回路。
利用仪器可以观察到XTAL2输出的正弦波。
晶体应在1.2MHZ-12MHZ之间选择，电容应在5pf-30pf之间选择，电容C1和C2的大小对振荡频率有微小影响，能起到频率微调作用。
在设计印刷版时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作。
具体电路组成如下图：
图3.8时钟电路设计
3.2.6RS-232串口电路设计
MAX232是常用的5V系统RS-232电平转换芯片。
在3.3V系统中，MAX232作为驱动芯片。
该芯片的功能是将5V系统的伪RS-232通信转换为12V系统负逻辑的真RS-232通信，因此，单片机可以通过232串行总线和电脑通信。
其中MAX-232的10、11脚分别与单片机的P3.1和P3.0连接。
图3.9RS-232
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