一种能量可再生的智能健身自行车硬件系统设计

周以宁，任雪浩，路光达

（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

“全民健身”热潮席卷全国，伴随而来的健身消费更是一种新的潮流趋势，且健身人群趋于年轻化。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]，由于国内尚无较成熟的发电装置来实现能源的最大化利用，因此在能量循环配置和健身数据的智能管理方面显得比较薄弱。自行车发电一般分为自然充电和机械充电。自然充电指由风力和太阳能等自然资源对自行车进行充电，这种发电方式对健身自行车来说并不合理，不能保证充足的电量生产；机械充电指摩擦充电和花鼓充电。近年来，国内外学者就自行车的能量可再生循环等开展了大量的研究，槐青等[2]采用铅酸蓄电池实现供电，铅酸蓄电池在充放电的过程中会发生化学反应，从而导致有效工作的面积减少，降低电池寿命。卿宇航等[3]利用机械放电，替代市场上原有的金属摩擦轮，这种新型摩擦轮装置降低了成本，提升了发电效率，但由于摩擦轮发电装置是靠自行车胎和摩擦轮之间的摩擦来发电，容易造成磨损，使电能转化能力下降，导致频繁拆卸和更换装置。目前国内较为常见的发电自行车为花鼓发电方式[4]，由于花鼓发电自行车的核心技术来自国外，生产成本较高，且零配件不容易买到，因此无法批量生产供健身房投入使用。闫俊伢[5]建立了一种基于切割磁感线的发电装置，该自行车在骑行能量转化的过程中不产生阻力，稳定性较强，因切割磁场线产生的电压较小，无法保持高速骑行，能量循环效率较低。西南交通大学的温朋哲等[6]根据曲柄滑动原理设计了多功能可发电健身器材，通过健身者踩踏台阶来实现发电功能，但因人体健身时的发力周期不同，仅根据压力转化进行发电，实际发出的电压不够高，使发电机转速降低，不能达到很高的效率。祝燕琴等[7]设计的家用工业健身自行车与雷宇等[8]设计的绿色发电系统均采用蓄电池和发电机相结合的发电方式，这2 款健身器材仅能满足能量循环的要求，无法智能检测出健身人员的运动状态。本文设计的能量可再生智能健身自行车，发电装置采用永磁发电机与蓄电池相结合的方式，提高了电能利用率，并且与智能科技相结合，使健身者在运动的同时，将健身者运动所消耗的机械能转化为电能，从而给用电器供电，实现了能量的循环利用，经过互联网计算实现对身体各项指标的详细记录，结合健身者身体各方面情况，自动生成详细的健康报表。

1 能量可再生智能健身自行车整体设计

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[6]，通过蓝牙4.0 模块传输至用户手机APP 客户端。同时，将自行车由JYWF永磁发电机利用机械能转换的电能和锂电池相互配合发电，以10%为界限转化使用，将电能储存在锂电池中，使用锂电池为自行车的供电设备进行供电。本系统主要由STC89C52 单片机核心控制电路、运动采集模块、LCD1602 显示模块、电机发电模块、锂电池充放电管理模块和蓝牙4.0 模块[7]几部分组成。系统结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 主控芯片设计

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[8]。

XTAL1（19 脚）为驱动端，XTAL2（18 脚）为输出端口，9 脚和低电位端之间由下拉电阻相接，9 脚和Vss端之间由电容相接。ALEPROG 发出峰值为5 V 的周期脉冲，起到了定时计数的目的。PSEN 和ALE 端可以同时输出驱动8 个BJT 逻辑门电路。当EA 输出为1，PS ＞0FFFH1FFFH 时，将自动由内部执行存储器转变为执行外部存储器；当EA 输出为0 时，不受内部存储器影响，直接执行外部存储器。EAVPPEA 与此类似。

2.2 发电模块

2.2.1 发电系统工作原理

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1 500 r/min）瞬间提升到高速（发电机转速约3 000 r/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250 W，其发出380 V 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190 V 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220 V 的交流电供用电器使用，实现能量的再生循环[9]。

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，2.5 V 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700 μA～12 mA，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 发电模块分析

（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200 V，该电路简洁，效率较高。JYWF 永磁发电机产生380 V 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 190 V 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2.2～42 V。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5.56 A，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2.5～3 A，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24 V 提升至280 V。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 JYWF永磁发电机数据分析与选择

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300 mm；当健身者驱动踏板时，发电机转子额定转速可达1 500 ～3 500 r/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185～550 W，通过电路整流后输出的工作电压为14～18 V，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[10]。

2.3 驱动模块

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12 V 动力电源，J2 接入5 V 逻辑电源，J1 接入驱动使能端，让电机使能ENAENB 保持工作状态，J5、J7 为输出端，提供动力[11]。IN1IN2 输入PWN 脉冲信号，对电机进行调速。L298N的输入输出端口1、2 和主控芯片STC89C52 相接。L298N 输出电压约为12 V，输出电流约为2 A，VS 与MAX1898 蓄电池输出口相接，驱动电感超前型电阻，OUT1-OUT4 驱动JYWF 永磁发电机。L298V 中共有5个比较器U1-U5，分别实现不同功能。U1、U2 控制JYWF永磁发电机正反转，当传感压强电压高于VRBF1 时，JYWF 永磁发电机正向转动，当传感压强电压低于VRBF1 时，JYWF 永磁发电机反向转动。当传感压强电压位于转换电压VA、VB 之间时，即可将输出电压限制在一定范围内，输出高电平。当 RS1 ＞VREF2 时，U5 输出为低阻抗，积分器开始积分，实现长延时功能。

2.4 锂电池充放电管理模块

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%[12]。传感器的输入靠接入IN 和CS 实现，接入CT 进行安全充电时间的设置[13]。RSTRT 控制自动重启，以0.2 V 为新充电周期的分界点，CS 与PMOS/PNP 相接。蓄电池中的电量低于10%时，JYWF永磁发电机转化的电能进行供电并对蓄电池充电，当蓄电池充满时，转化为蓄电池供电。

2.5 显示模块

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。

表1 引脚接口说明

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[14]。A 和K分别为背光的背光正极和背光负极，连接到限流电阻以供VDD 使用，背光的亮度由电流大小控制。工作电压为5 V，响应时间为180 ms。液晶显示电路如图2 所示。

图2 液晶显示电路

2.6 运动传感器模块

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。

图3 ADXL345 加速度传感器电路图

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[15]。SDI 和SDU 在沿CP 上升获取数据，串行数据。ADXL345三轴加速度传感器连续输出6 字节数据，每轴都有2字节的寄存器。

2.7 蓝牙4.0模块

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8 V，有3 种低功耗模式可供选择，功耗最低可达0.5 μA。内部用1.8 V 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24 V，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及验证

3.1 实验数据测量

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 ～120 r/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[16]：当健身者处于低速健身时，三者的传动比为1 ∶3 ∶28，电动机转子转速达1 200 ～2 300 r/min，输出有功功率为85%；当健身者处于中速健身时，三者的传动比为1 ∶3.5 ∶29，发电机转子的转速达 1 550 ～2 775 r/min，输出有功功率为87.7%；当健身者处于高速健身时，三者的传动比为1 ∶3.5 ∶33.5，发电机转子的转速可达1 830 ～3 280 r/min，输出有功功率88.9%。

3.2 发电机整流滤波电路装置分析

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[17]。

3.3 输出电压实验可行性分析

当健身者以正常速度踩动健身自行车，即转速为60～120 r/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14～15 V 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[18-20]，在无负载或低电阻的情况下，输出的交流电压维持在225～227 V，输出功率稳定在80%～85%，说明该发电装置基本符合用电设备的标准，能进行能量的可再生循环利用，达到了绿色环保、循环发电的需求。

3.4 健康系统的可行性分析

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 175 cm，体重 65 kg，年龄 25 岁）。

表2 健康系统实验数据

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 实际应用测试

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40 km/h 的速度，骑行将近35 km，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。

4 结 语

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380 V 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220 V 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的机械能转化为电能的转化效率，同时还能通过ADXL345运动传感器，传感运动公里数和速度等数据，输入STC89C52 主控芯片中进行计算和分析，将得出的数据与用户所填入的信息相结合，生成合理准确的运动方案和健身报表，通过蓝牙传输到健身者的手机或平板设备中。本文所设计的能量可再生智能健身自行车替代了传统健身自行车，以一种更为智能、更为可持续的方式呈现。该健身自行车不仅具有运动记录与检测功能，能让健身者更了解自身体质，为健身者生成健康报表，提供合理建议，还能将电源和蓄电池结合交替使用，实现能量的循环利用，满足新时代绿色环保的主题。