发布时间 : 星期三 文章一种基于单片机的发电跑步机系统设计毕业论文更新完毕开始阅读e01a8e1acdbff121dd36a32d7375a417866fc1aa
第二章 跑步机系统总体方案设计
2.1发电装置方案设计
图2.1 发电机发电原理图
根据能量守恒原理，人体的动能可以变为电能，通过人体在跑步机上跑步带动履带产生动能，履带运转就可以带动发电装置，发电装置内置磁场与线圈绕组，根据法拉第电磁感应原理通过线圈中磁通量的变化在闭合回路中会产生感应电动势及感应电流，将其引出就可产生不稳定的交流电。如图2.1为发电机发电原理。
图2.2 跑步机与发电机衔接图
节能式发电跑步机是在交流发电机发电的基础上加装齿轮履带等将发电机轴承与跑步机的履带主轴相连接，通过减速齿轮等的稳定后用户在跑步过程中就可带动发电机的摇杆运动。
如图2.2所示:跑步机的轴承以齿轮及履带的方式连接在发电机上，人在3上跑动就可带动履带2运动，带动轴承5与发电装置7运转。也可将发电装置安装在1处，更方便液晶模块在8处的接线显示。通过跑步机轴承5的周长设定与
履带的传动比与齿轮半径就可确定出跑过的路程，根据霍尔或光电传感器测得发电机的转速，以齿轮间的传动比就能推得实际跑步过程中的速度并转化为KM/H单位显示在LCD上，单片机根据速度及定时器设置的定时就可算出路程等其他数据。
图2.3 系统总示意图
如上图2.3总示意图：人在跑步过程中带动了发电机运动，发电装置集成了整流桥与电容，LM317三端可调稳压器稳压，调节电位器使得电压大约为14V为12V蓄电池充电，蓄电池储能后供电于主控部分带有LM7805稳压的单片机。单片机检测到温度设置超过阀门限度后自动开启相应的温度或湿度状态异常LED指示灯及蜂鸣器进行声光报警，达到智能监测控制舒适度的目的。
本设计将主要对传统滚筒履带型机械式跑步机进行加装处理，若直接将跑步机大链轮接自发电机的手摇杆轴上，则可能由于转速过低导致发电电压过低，故使用大齿轮带动小齿轮的方式，大齿轮主动运动带动履带传递动能给小齿轮，小齿轮再来带动发电机摇杆轴运转，只要根据人的跑步速度范围及公式计算线圈匝数及齿轮比，发出的交流电电压将不会过小也不会过大，稳定在一定范围之内。
2.2稳压芯片及稳压电路设计
本次设计中的电源是由于人体运动带动发电机运动产生的，在跑步机上运动的过程中人体不可能以一个恒定的速度运动，所以人体发出的电能是不规则且在不停变化的交流电，在本次设计中要使得发出为电压大小稳定的直流电，就需使
用整流稳压电路并使用蓄电池电池来做电能储存缓冲，在稳压芯片上选择很多，常见的稳压芯片有7812、7912、7809等，考虑到要将电能储存在12V蓄电池中 ，12VNP蓄电池满电电压可达14.5V，故稳压范围大约应在14-15V，选用7912这类固定值稳压输出的稳压器不能满足要求。
LM317作为一只在各类稳压电路中经常使用的经典三端式可调集成稳压器，调压范围1.2-37V，最大负载输出1.5A，因为其具备输出电压可调的优势，而且芯片内通常含有过流与过热状态保护电路，调压由可以滑动变化的电位器RP与定值电阻R组成，输出电压公式VOUT=1.25*（1+RP/R），所以选用LM317为稳压芯片非常合适。
图2.4 LM317稳压部分电路图
如图2.4，使用时先搭建全波桥式整流滤波电路，利用D1-D4四个IN4007整流二极管的单向导通性完成AC/DC转变过程，此时电流为脉动直流电，使用C2、C3、C4电容滤波处理初步稳压，D6处的IN4001二极管防止发电机电压低于蓄电池时反向放电，LM317稳压芯片再将电压稳定到用户想要的值得到稳定电压，调节LM317上的电位器就可以调节电压至14V以给蓄电池充电。
如下图2.5所示，由于蓄电池储存的12V电能不能直接供给单片机使用，还需使用稳压范围宽广性能优异的LM7805芯片，7805稳压范围为7-36V，压差最小为+2V，最大输出电流1A，即使将经317稳压后的14V发电机电压直接加至7805上也能正常工作。使用7805将12V电压进行二次稳压至5V以保证单片机电压稳定。
图2.5 LM7805稳压模块原理图
使用时在发电机正极处接入一只整流二极管以防止发电电压过低时蓄电池对发电机反向放电，当用户在跑步机上由于速度不够或动作停止时蓄电池将作为储备电源为单片机负载供电。当用户发电电压充沛时发电机将主要为单片机供电及为蓄电池充电，只要发电机性能优秀发电电流够大，发电机将提供少量电流来补偿蓄电池局部作用的损耗并主要为负载供电，使蓄电池经常保持在充电满足状态但又不至过充电。
这种使用蓄电池作为备用缓冲储能电容的方式为“半浮充”方式，这种方式并不会损坏电池的寿命，相反其寿命一般较全充放工作方式的蓄电池要长。此时单片机、蓄电池与发电机总体呈并联状态。
2.3系统流程图及工作原理
图2.6 系统硬件总流程图
系统硬件总流程框图如图2.6示。当用户运动后产生的电能先经集成LM317稳压芯片的整流稳压电路整流成为稳定的直流电，调节电压后先使用万用表确定稳压数值为14V后再给蓄电池充电，蓄电池给带LM7805稳压器的STC89C52单片机供电保证正常使用，单片机再驱动语音或其他用电设备。