基于互联网技术的智能健身自行车设计

基于互联网技术的智能健身自行车设计

“国家健身”的崛起是由中国引起的。此后，健身消费也成为一个新趋势，健身人群趋于老化。据相关数据显示，我国每年健身人数以50%的速度急剧增加1无刷直流电机能源问题造就了电动汽车的时代，特别是家用电动自行车的迅速发展，已经成为最主要的交通工具之一。到目前为止，电动自行车的一些关键技术，如电气电子、计算机控制、微电子以及电机等技术的迅速发展，为其开发提供了良好的条件。电动自行车控制器对电动自行车的核心进行管理和控制，具有平滑的电机控制、稳定可靠的电池管理、人性化以及合理的人机交互等优点。随着电动自行车的迅速普及，电动自行车的控制装置在电动自行车领域得到了广泛的应用。无刷直流电机（BLDCM）具有控制简单、可靠性高、输出转矩大等优点，被越来越多地用做电动自行车驱动电机。因此，相关技术的发展使电动自行车控制器以及驱动电机等成为研究的热点。电动自行车系统主控制器采用STC89C52芯片，利用JYWF永磁发电机将转子转速转化为可用的脉冲，经由整流电路、逆变电路，生成供用电器使用的交流脉冲，将脉冲转化成单片机可采集的信息，利用STC89C52计数功能测算出自行车脚踏的圈数和速度，对所接收的数据进行分析和计算，结合健身者输入的身体各方面信息，推算各项数据，生成健康报表，由LCD1602显示器显示出来2硬件设计2.1adx-ms/ws-需要电路设计的对外应用控制器是以主控制芯片为中心加入一部分周边电路模块构成，主芯片的性能对控制器的性能起着决定性的作用。结合本系统的性能要求并考虑成本，对主控芯片要求如下：(1)足够容量的存储器，ROM足以容纳控制程序的代码；RAM足以容纳运算的中间以及最终结果的数据。(2)足够快的运算性能量，由于发动机的运转非常迅速，由此整体参照提高。(3)足够强的输入输出功能和逻辑判断功能。(4)由于需要通过PWM进行无刷直流，所以采用易发生稳定的PWM波的电动机的调节调速。(5)具有A/D变换功能，检测电流、电压，防止过电压。此外，低消费电力、稳定性强、体积小是最理想的芯片选择。选用STC89C52单片机作为主控制器，该单片机与其他单片机相比功耗低；内核采用MCS-51，具有高性能，可以更好地实现自行车在低能量转化时的低功耗传输。JYWF永磁发电机转化的电脉冲，结合ADXL345传感器，采集健身者远动公里数、运动快慢等数据，T0、T1、T2计数器实现计算，P0、P1、P2、P3输出引脚与蓝牙4.0的UART＿TX与UART＿RX相接，将采集到的数据经过处理后通过蓝牙4.0通讯模块发送给手机，从而生成健康报表2.2电力模块2.2.1恒定电流充放电原理发电系统采用JYWF永磁发电机作为核心。JYWF永磁发电机与其他发电机相比，可以输出更为稳定的三相交流电压。系统中的传动装置将健身者踩动自行车转动时的转速由低速（发电机转速约1500r/min）瞬间提升到高速（发电机转速约3000r/min），从而驱动发电机的运作。JYWF永磁发电机输出的平均功率为250W，其发出380V的三相交流电压通过由4个整流二极管D1—D4组成的整流装置后输出有效值为190V的直流电压，在直流稳压斩波器和PWM输出控制器的作用下，使发电机发出的三相交流电压转化为稳定的幅值、频率输出约为220V的交流电供用电器使用，实现能量的再生循环根据其反电动波的不同，可以分为反电动势为正弦波的永磁铁同步电机和反电动势为梯形波的无刷直流电机（BLDCM）。为减少扭矩的纹波，无刷直流电机通常采用二相导通规则，即根据转子位置传感器输出的3个位置信号决定三相定子电压的接通或关闭，并且将流经定子绕组的电流波形作为矩形波。永磁铁同步电动机采用三相导通定律，也就是说，从转子的当前位置决定三相定子电压的接通或关闭，输出正弦波电流。根据无刷直流电机的特性，本设计采用三相无感无刷直流电机作为驱动电机，其具有体积小、重量轻、电磁转矩脉动小、结构简单、工作可靠、调速性能好、免维护等优点。为能使发出的电能得到充分使用，提高有效功率，蓄电池添加在发电系统中作为充放电装置，与发电机配合进行工作。当蓄电池中的电能低于10%时，发电机输出脉冲，向蓄电池供给电能，即向蓄电池充电；当蓄电池中的电能高于10%时，蓄电池放电，尽可能地提高利用率，避免电能浪费。系统恒定电流充放电具体工作情况分析：MOSFET管的闭合和关断取决于电路漏源极之间电压。当VGS<阈值时，MOSFET断开，2.5V为VGS导通的临界点，要使电路进行恒定的充放电，需使晶闸管T5导通，二极管中的电流为700μA～12mA，同时还需保证T1的电阻处于接近于0的某一数值，才能使电路中的电流不会超过充放电限定值范围而使蓄电池受损。2.2.2发电模块测试(1）整流模块。整流模块采用由4个相互作用的整流二极管组成的桥式整流电路，考虑输出直流电压的电压范围，使用RS802作为整流桥，其平均电流为8A，峰值反压（VRRM）为200V，该电路简洁，效率较高。JYWF永磁发电机产生380V的交流电压时，经由二极管VT1、VT3接收正方向的脉冲信号，从而触发二极管打开，将交流电压转化为直流电压后，更换整流电路，接通VT2、VT4，输出190V的直流电压波形，实现交流电压到直流电压的转换。(2）稳压模块。稳压模块采用LM2596稳压电路，该电路与其他电路相比，外围电路简单，输出线性好，接入时可调输入电压范围为2.2～42V。当过热、过载时，系统会自动断开，起到稳压作用。当发动机转子高速运转时，产生的电流约为5.56A，而LM2596的限流作用及其本身电流输出范围将流入蓄电池的电流限制在2.5～3A，从而将输出电压维持在一个恒定范围内，误差精度为±3.3%～±4.9%。(3）逆变器模块。逆变器与JYWF永磁发电机和蓄电池相连，将蓄电池和JYWF永磁发电机相互供给输出的直流电转化为供用电器使用的交流电。逆变器工作主要由2条线路和接入蓄电池的10管脚、11管脚组成，当10脚为高阻态，电流由变压器上半部分经MOSFET管的P极与N极，最终接地；当11脚为高阻态时则相反，电流由变压器下半部分流入地。输出电压波形为方波，输出电压由24V提升至280V。在总线线路中放置一个正向二极管，防止电流逆向通过。2.2.3健身自行车发电机转子根据健身者在健身自行车运动时，发电机转子转速、输出额定电压及额定功率的分析和计算，从而得到：能量可再生智能健身自行车通过踩踏踏板，驱动自行车运动，将人体运动所产生的机械能转化为可供用电器使用的电能。所设计的健身自行车前后轮比为1∶1.1，后轮半径约为300mm；当健身者驱动踏板时，发电机转子额定转速可达1500～3500r/min。通过健身者3种速度运动数据对比，得出健身者在健身自行车上运动的功率在185～550W，通过电路整流后输出的工作电压为14～18V，符合JYWF永磁发电机额定功率的区域范围，且输出的电压波形较为稳定，因此采用JYWF永磁发电机作为本设计发电系统的核心2.3大电流双全桥驱动系统采用L298N芯片，内含4通道逻辑驱动电路，大电流双全桥两桥驱动。J3接入12V动力电源，J2接入5V逻辑电源，J1接入驱动使能端，让电机使能ENA\ENB保持工作状态，J5、J7为输出端，提供动力2.4x-1898及其升级锂电池充放电模块主要由MAX1898芯片构成，与其他芯片相比，MAX1898可以准确地进行恒流供应，安全性能好，可以实现闪充和快速预充。调节电池电压处于±0.86%2.5数据传输模块显示模块采用的显示器为LCD1602，采用的控制器为HD44780，引脚接口说明如表1所示。LCD1602与STC89C52相连，实现双向数据传输。该模块通过数据线（D0—D7）连接到主控制芯片。控制引脚RS连接到微控制器的P2.7端口，用于命令/数据选择。当遥感端口的输出值为高或低时，分别对应于选择命令和数据。读写选择2.7端口，用于读写LCD1602显示的命令/数据2.6双轴加速度传感器采用ADXL345加速度传感器采集健身者的运动数据。相比于其他传感器，三轴加速度传感器能更加全面地采集健身者的运动状态，可在X轴、Y轴、Z轴相互正交的坐标系中同时测量，并且精度较高，功耗较低。三轴数字传感器与主控芯片连接，将数字信号输入主控芯片，从而进行运动数据的分析与输出显示。ADXL345加速度传感器电路图如图3所示。ADXL345加速度传感器VDDI/O及VS接蓄电池，3脚接地，6脚接VS,7、12、13、14脚接主控芯片GPC0、GPC1、GPC2三个输入引脚，用于传输运动量信息2.7urt与stc传输电路通讯采用蓝牙4.0模块，蓝牙4.0较其他通信设备更为稳定，能够低功耗远距离传输，信息传输速度高，能实现快速的数据输送。蓝牙4.0通过UART与STC主控芯片连接，UART＿TX与UART＿RX连接STC89C52主控芯片，实现串口数据的输入输出。蓝牙4.0工作时的输出电压约为8V，有3种低功耗模式可供选择，功耗最低可达0.5μA。内部用1.8V稳压器进行稳定，为电路提供恒定电压，与去耦电容相连接。蓄电池输出24V，与二极管和滤波电容相接输入蓝牙串口，从而实现低功耗高效率的数据传输。3发电系统的可行性分析和验证3.1发电机转子旋转负荷选取普通的成年健身者为被试，实验测量其向前踩动健身自行车时的速率，速率设为60～120r/min，当向前踩动踏板时，皮带向前驱动飞轮并驱动发电机转子旋转。分别对自行车踏板转动圈数、后轮转动圈数和发电机转子进行检测，得出三者的传动比3.2发电机输出端直流电压曲线踏板转动带动发电机输出交流电压，通过三相二极管整流器整流。用示波器分别测量交、直流输出电压，测出低速、中速、高速3种转速下的发动机输出端的交流电压、整流后电路输出端直流电压的有效值，分析表明，当健身者踩动健身自行车时，转动区域处于稳定状态，交流端和直流端输出电压波形变化不明显，基本处于稳定，可供用电设备使用3.3发电机输出环路当健身者以正常速度踩动健身自行车，即转速为60～120r/min时，发电机通过三相二极管装置整流之后，输出的直流电压在14～15V波动，而后经过逆变器，可以输出一个有恒定频率、幅值的正弦交流电压3.4健康系统的实现传感器采集人体运动和生理数据，包括运动公里数、运动速度，并将数据输入STC89C52芯片中进行分析计算，通过蓝牙与手机或平板电脑APP以及健身自行车LED显示屏同步显示。APP根据同步数据和用户输入的身体信息，包括身高、体重、年龄，可生成健康报表。健康系统实验数据如表2所示（实验者的身高为175cm，体重65kg，年龄25岁）。由表2可知，当健身者用力踩动自行车踏板时，通过传感器和芯片分析可以准确检测出健身者运动的公里数、速度、踩踏力度等一系列数据，结合健身者的身高、体重、年龄等信息，生成健康报表，为健身者运动锻炼提供合理的建议。3.5游客高校根据实用的要求设计了控制器。为验证控制器的性能进行了测试。测试项目是长时间的骑行，按照设定的最高40km/h的速度，骑行将近35km，基本达到预订目标。接下来还需经过一定时间的实际测试，找出存在的问题，不断完善此控制器。测试是项目的必须环节，电机的运转设为快速，因此对基于能量可再生智能健身自行车控制器测试的调控必须控制在毫秒级别甚至纳米级别，且保证其精确稳定，所以在测试中使用示波器。为了保障系统有稳定的电源，使用了恒压源。为测试有无焊接和短路问题，使用了数字万用表，因此保证了测试的准确性。4jyyql永磁发电机转化系统的应用本文设计的能量可再生智能健身自行车以STC89C52单片机作为整个设计系统的核心，实现定时和计数功能，驱动JYWF永磁发电机发电，发出恒定稳压的三相交流电，通过整流装置将发出的380V三相交流电转化为直流电压，利用逆变装置，将输出的直流电压转变成可供大多数用电器使用的220V交流电压，并且连接了驱动装置、蓄电池硬件模块，使JYWF永磁发电机转化的电能得到了充分的利用，减少无功功率，提供有功功率，最大化提升人体运动产生