綠色機電產(chǎn)品綜合設(shè)計-知冷暖的綠色健身器

1、濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計- -1前言1.1健身器械發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀健身器械發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外已被開發(fā)應(yīng)用， 把健身與娛樂兩者結(jié)合起來?，F(xiàn)已應(yīng) 用的是以旋轉(zhuǎn)類運動器材為主的發(fā)電設(shè)備。 美國一家飲料公司的員工蹬起了健身發(fā)電 車，將產(chǎn)生的電能儲存在電池中，供其他電器使用；英國一家夜總會舞池的地面能依 據(jù)人們的動作，將機械能直接轉(zhuǎn)化為電能；在我國，利用健身車產(chǎn)生的電能供給手機 充電或照明，均都顯示健身發(fā)電已被人們重視。在國內(nèi)，健身器械的制造與西方發(fā)達國家相比還存在較大差距。 我國處于起步和 初期階段，健身俱樂部所選用的健身器械和經(jīng)營模式都較為傳統(tǒng)， 經(jīng)營者對新技術(shù)缺 乏關(guān)注，利用人力發(fā)電的健身器材的應(yīng)用具有重要的

2、實際意義。12選題的背景與意義如今科技飛速發(fā)展，百姓的生活水平都有了很大的提高。時下健身以成為一種時 尚，針對人們健身后出現(xiàn)的口渴出汗等生理現(xiàn)象，設(shè)計了這一款帶有小型制冷設(shè)備的健身器械。人們健身過程中會產(chǎn)生很多的能量，把這些能量轉(zhuǎn)換為電能加以綜合利用。 不僅節(jié)約了寶貴的非可再生能源，同時也會給人們帶來更加舒適環(huán)保的環(huán)境。 健身器 械的設(shè)計與人有著緊密的聯(lián)系，反應(yīng)更加人性化的設(shè)計理念，保證人的健康舒適。利 用健身場所中人體消耗的能量發(fā)電以供其他設(shè)備使用，是對節(jié)能環(huán)保主題的探索。健 身發(fā)電是具有規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，是獲得能源的二次利用、變廢為寶的典范。13總體方案設(shè)計根據(jù)健

3、身自行車發(fā)電的特點考慮，我提出了兩種設(shè)計方案供選擇。方案一：人腳蹬自行車踏板，帶動車的后輪轉(zhuǎn)動，后輪通過皮帶傳動帶動發(fā)電機 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。此傳動裝置中，皮帶輪上的包角和兩軸中心距不易確定， 并且需要張緊裝 置。采用交流發(fā)電機，輸出的是電壓、頻率不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)交流調(diào)壓和交交變頻 電路變?yōu)轭l率穩(wěn)定的交流電，供負(fù)載用電和蓄電池充電。但是交交變頻電路只能工作 在工頻50HZ的交流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電， 而發(fā)電機輸出的是頻率不斷變化的交 流電。因此，此方案不可行。方案二：人腳蹬自行車踏板，帶動車的后輪轉(zhuǎn)動，后輪通過摩擦輪傳動帶動發(fā)電 機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，此傳動裝置中，靈活方便易操作，工作平穩(wěn)，噪聲小，能夠保證

4、準(zhǔn)確的 傳動比，且傳動效率高。采用的是直流發(fā)電機，輸出電壓不穩(wěn)定的直流電，通過降壓 穩(wěn)壓電路，獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電，供負(fù)載用電和蓄電池充電。因此，通過以上兩種方案比較，我選擇方案二 1.3.1整體設(shè)計思路自行車2鏈輪摩擦輪等機械傳動機構(gòu)微型發(fā)電機及穩(wěn)壓電路1.3.2整體構(gòu)造分析利用健身自行車鏈輪、摩擦輪的機械傳動，帶動微型發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。經(jīng)過穩(wěn) 壓電路，將微型發(fā)電機產(chǎn)生的直流電儲存在蓄電池中。供小型制冷機正常工作，利用半導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)，同時實現(xiàn)制冷制熱。為了使健身者能夠享受到更加舒適的健身 環(huán)境，蓄電池也可驅(qū)動一個小風(fēng)扇，將制冷機的低溫氣體吹送給健身者， 健身者同時 可以觀賞者Mp5播

5、放的影視。另外，由于室內(nèi)空氣較渾，還可驅(qū)動一個負(fù)離子發(fā)生器 工作，給健身者帶來更加舒適愉悅的健身環(huán)境。（由于產(chǎn)生的電能有限，健身者可根據(jù)實際情況選擇合適的電器使用。）2機械部分設(shè)計2.1機械傳動部分設(shè)計機械傳動部分主要由鏈輪、飛輪、摩擦輪組成。鏈輪傳動具有傳動效率高，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)空間小，傳動比穩(wěn)定等優(yōu) 點。同時鏈輪的制造及安裝精度低，成本較低。飛輪安裝在機器回轉(zhuǎn)軸上，是具有較大的轉(zhuǎn)動慣量的輪狀儲能器。當(dāng)轉(zhuǎn)速增高時, 飛輪的動能增加，把能量貯蓄起來；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，飛輪動能減少，把能量釋放出來。 飛輪還可以用來減少機械運轉(zhuǎn)過程的速度波動。摩擦輪正常工作時，主動輪可借助摩擦力帶動從動輪回

6、轉(zhuǎn)， 并使傳動保持固定的 傳動比。它制造簡單、運行平穩(wěn)、噪聲小，能無級的改變傳動比。本次設(shè)計是以自行車為載體，鏈輪傳動是本身自帶的。由此，根據(jù)普通成年人騎 車的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速確定減速比的范圍。表2.1鏈傳動技術(shù)參數(shù)大鏈輪齒小鏈輪齒傳動中心距a數(shù)乙數(shù)乙比i1(mm)40162.5480經(jīng)實際測得，普通成年人騎車的轉(zhuǎn)速為m =55-100(r/min),而發(fā)電機的轉(zhuǎn)速約為n2 =800-3000(r/min)。根據(jù)此范圍確定傳動比：總傳動比：i0二匹=14.5 30ni鏈傳動比：h =2.5摩擦輪傳動比：i2 =乜=5.812ii因此，我選取了摩擦輪傳動傳動比為i2 =8。由于大輪直徑為600

7、mm,從而可得摩擦輪直徑為75mm。2.2支架的設(shè)計支架部分在機械設(shè)計中也很重要，普通自行車的支架主要作用是不騎自行車時， 保持自行車不倒，沒有太多的強度和穩(wěn)定性要求。而本次設(shè)計健身車的主要用途是放 在室內(nèi)或健身場所，長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且支架承受著整個自行車和人的重量， 因此，支架的設(shè)計需要較高的強度和穩(wěn)定性。圖2.1支架結(jié)構(gòu)圖此支架支撐部分是由鋼制空心圓管制造， OOMPa，穩(wěn)定安全系數(shù)門戎=35； 外徑30mm，內(nèi)徑20mm，桿長356mm；左右兩支架之間的距離I = 260mm ；支架底 板是用來加強穩(wěn)定的，總長396mm，厚度15mm ；支架上端有兩個圓管，外徑50mm， 內(nèi)徑30

8、mm，長度110mm。根據(jù)自行車軸伸出的螺旋部分和車架圓筒的直徑設(shè)計一個 套筒，人作用的力通過套筒傳到支架上。圖2.2套筒而這個三角支架具有一定的穩(wěn)定性，由于人騎車時，身體會有所晃動，從而使人的重心有所偏移，根據(jù)左右偏移的幅度來設(shè)定的支架，從而校核其穩(wěn)定性。設(shè)定人重心偏移后車輪距離為 a =60m m，人重量100kg，車重10kg。支架兩支 撐點的支撐反力F1、F2，作用在支架上的力F。Fm2） g （ 1）F 二 FiF2 (2)F2I - Fi(I - a) = 0 (3)算得：F =1078(N) F788(N) F2 =290(N)彎矩為：Mi =Fi(I. 2-a) (4)M2 二

9、 F2 (12 a) (5)算得：M55.16(N m) M2 = 55.09(N m)最大彎矩為Mi處，也是最危險處。因此MiM1W (二 32) d4 (1 - ：)(6)算得：;=69(MPa)即二十，滿足強度要求桿的橫截面慣性矩為：桿的臨界應(yīng)力：44UP d)(7)F crJIEl(8)算得：I =0.0345 10$(m4) Fcr =4270(N)計算桿的工作安全系數(shù)：n 二電=3.96F滿足規(guī)定的安全系數(shù)，桿滿足穩(wěn)定性要求。2.3保溫箱的設(shè)計保溫箱是用來放置半導(dǎo)體制冷器、 內(nèi)膽、驅(qū)熱風(fēng)扇以及蓄電池等。半導(dǎo)體制冷器 的內(nèi)膽用金屬材料做成，以利于冷量在箱內(nèi)大面積傳導(dǎo)，便其分散均勻。用

10、無毒塑料 板隔離。外箱體可由紙板做成。在內(nèi)層中填入隔熱材料，可選用聚乙烯粉末或包裝用 的廢泡沫，然后做一金屬塊為儲冷器，儲冷器的作用是使制冷器產(chǎn)生額的熱量更均勻的傳導(dǎo)于內(nèi)膽中。根據(jù)一般飲料瓶及礦泉水瓶的直徑和高度大小，可設(shè)定內(nèi)膽為半橢圓柱體，并且分為兩部分，用鐵絲將他們捆綁在一起。兩部分中間有半導(dǎo)體片和隔熱材料。因此， 內(nèi)膽的尺寸為高度h=155（mm），直徑d=80（mm）。在制冷端安裝一個小型風(fēng)扇，型 號：DC922512SM,額定電壓12（ V）額定電流0.18（ A），尺寸：92疋92漢24（ mm）。 儲蓄電能的蓄電池也放在了保溫箱內(nèi)，額定電壓：12V，額定容量：4Ah，尺寸：83x

11、67 x98（mm）。并且設(shè)計一個槽用來放單片機。在箱體外殼側(cè)面設(shè)計一個孔用來 外接線。設(shè)計一個箱體蓋尺寸：205 180 40（ mm）。整個外箱體的尺寸： 205 180 140 （mm）。圖2.2保溫箱的結(jié)構(gòu)圖2.4電機類型與參數(shù)的選擇如果采用電勵磁發(fā)電機，需通入勵磁電流才能產(chǎn)生磁場，從而切割磁感線進行發(fā) 電。一般并網(wǎng)運行的發(fā)電機都從電網(wǎng)電流產(chǎn)生磁場，而健身車發(fā)電機是單獨運行的， 要想得到初始勵磁電流只能通過蓄電池，若蓄電池的電恰好用完，那么電勵磁發(fā)電機根本無法啟動。永磁發(fā)電機無滑環(huán)、碳刷，定子氣隙大。因此宜采用永磁直流發(fā)電機。2.4.1發(fā)電機原理發(fā)電機通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、機座及軸承

12、等部件構(gòu)成。定子由機座.定子鐵芯、線包繞組、以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。轉(zhuǎn)子由鐵芯、風(fēng)扇及轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子， 轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做 切割磁感線的運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生 電流。2.4.2類型功率選擇根據(jù)人騎自行車時消耗的功率及可承受的阻力，給出以下額定參數(shù)范圍可供選擇：、額定功率：根據(jù)調(diào)查，通常人一小時騎車過程中小號的功率為 150200(W)，鏈傳動效率為！ =0.95，摩擦輪傳動效率為2 =0.85，機械損耗為3 =0.8。因此,Pn = 123=100160(W)。滿載功率為160(W)。由于單片

13、機控制負(fù)載的帶動，所以可使用四個發(fā)電機，兩個功率為 60(W)和兩個功率為30(W)的發(fā)電機。所以應(yīng) 采用功率小，效率高的發(fā)電機。 、額定電壓：由于發(fā)電機的輸出電壓就是控制電路的輸入電壓，發(fā)電機額定電 壓為元器件工作電壓1016(V)。、額定轉(zhuǎn)速：發(fā)電機轉(zhuǎn)速越大，所產(chǎn)生的洛倫茲力越大，人要帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子所要克服的阻力也越大。選取額定轉(zhuǎn)速為8003000( r/min )。2.4.3技術(shù)參數(shù)如下兩表為發(fā)電機的技術(shù)參數(shù)：表2.2發(fā)電機1的技術(shù)參數(shù)額定電壓(V)額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定功率(W)尺寸(mm)重量(g)248303071漢37匯37325表2.3發(fā)電機2的技術(shù)參數(shù)額定電壓(V)額定轉(zhuǎn)

14、速(r/min)額定功率(W)尺寸(mm)重量(g)2419006080X72726152.5半導(dǎo)體制冷器原理傳統(tǒng)的冰箱制冷技術(shù)采用氟利昂或其他化合物制劑來實現(xiàn)制冷，這些物質(zhì)的泄露,對周圍環(huán)境造成一定得污染。半導(dǎo)體制冷器是基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)即電子制冷技術(shù)的 新型制冷設(shè)備，不需要任何制冷劑，禾U用半導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)實現(xiàn)制冷、制熱，是一 種綠色制冷設(shè)備。半導(dǎo)體制冷片的實物圖如下：圖2.3半導(dǎo)體制冷片半導(dǎo)體制冷片的技術(shù)參數(shù)為:表2.4主要規(guī)格參數(shù)型號電流(A)電壓(V)外形尺寸(mm)溫差C)最大制冷量(W)重量(g)TEC1-1270661240X40X3.6657041.5半導(dǎo)體制冷片即熱電制冷

15、片，是一種熱泵。利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)，當(dāng)直 流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時， 在電偶的兩端分別吸收熱量和放出熱 量。可以實現(xiàn)在一極制冷的同時另一極制熱。 其優(yōu)點為沒有滑動部件，能夠應(yīng)用在一 些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。半導(dǎo)體制冷片的工作運轉(zhuǎn)是用的直流電流， 既能制冷又能制熱。通過改變直流電流的極性，決定在一制冷片上實現(xiàn)制冷或制熱。它是由了兩片陶瓷片組成，中間有N 型和P型的半導(dǎo)體材料，應(yīng)用串聯(lián)形式連接。當(dāng)一塊 N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半 導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電 流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為

16、冷端。由 P型元件流向N型元件 的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料 N、 P的元件對數(shù)來決定。熱電制冷的溫差電效應(yīng)為：塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effec)1822年德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時，若兩個連接點保持不同 的溫差，則在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個溫差電動勢：Es 二 S 汀(1)式中：Es為溫差電動勢S為溫差電動勢率T為接點之間的溫差珀爾帖效應(yīng)(Peltier Effect)1834年法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克相似的效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個不同的導(dǎo) 體形成的接點時，接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱和吸熱的大小由電流的大小來 決定。Q二二二 I 二

17、 a 乙 I ( 2)式中：Q二為放熱或吸收功率:為比例系數(shù)，稱為珀爾帖系數(shù)I為工作電流a為溫差電動勢率Tc為冷接點溫度湯姆遜效應(yīng)(Thomson Effect)制冷器的冷端有從周圍吸收的熱 Q二、焦耳熱Qj、傳導(dǎo)熱Qk。電流從元件內(nèi)部通 過，產(chǎn)生焦耳熱，一般傳到冷端，一般傳到熱端。產(chǎn)冷量：1 2Qc =-Qj -Qa Tc I -?12 R-K(Th -人)(3)式中：R表示一對電偶的總電阻K是總熱導(dǎo)熱端散熱量：1 2Qh 二Q二 Qj -Qk =a Tc I 匸I2 R_K(Th -Tc) (4)從上式看出，輸入的電功率恰好是熱端散掉的熱與冷端吸收的熱之差：Qh Qc = I 2 R =

18、P( 5)因此，得出結(jié)論：一個電偶在熱端放出的熱量 Qh等于輸入電功率與冷端產(chǎn)冷量之和。 反之，冷端產(chǎn)冷量Qc等于熱端放出的熱量與輸入電功率之差。3控制部分的設(shè)計3.1溫度控制系統(tǒng)我選擇STC89S52RC單片機承擔(dān)中央處理器的功能。此溫度控制系統(tǒng)為：利用 操作和控制，對采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的溫度值進行比較，超出溫度上下限進行報警并且斷開對半導(dǎo)體的控制。溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計路線：第一步：通過按鍵設(shè)定溫度數(shù)據(jù)。第二步：采用溫度傳感器采集變化的溫度數(shù)據(jù)。第三步：采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，超溫則報警。第四步：利用C語言來實現(xiàn)編程工作。3.1.1工作原理溫度傳感器DS18B20從設(shè)備中采集溫度，單片機STC8

19、9S52RC獲取采集的溫度 值，經(jīng)過處理后得到當(dāng)前環(huán)境中比較穩(wěn)定的溫度值，將此值與設(shè)定的溫度上下限值進行比較，若超溫，單片機通過三極管驅(qū)動繼電器斷開與半導(dǎo)體制冷片的連接，并且三極管驅(qū)動揚聲器進行報警，發(fā)光二極管亮。圖3.1單片機系統(tǒng)框架圖3.1.2設(shè)計要求基于單片機設(shè)計的溫度控制器，用于控制溫度，設(shè)計要求如下：1溫度連續(xù)可調(diào)，范圍為0C-100oC，精度0.5C。利用功能鍵分別控制溫度設(shè)定，功能轉(zhuǎn)換及溫度的增、減和復(fù)位。利用數(shù)碼管顯示溫度。設(shè)置報警電路。3.1.3單片機系統(tǒng)的組成及介紹本次設(shè)計采用的是STC89C52RC單片機，用它來控制負(fù)載的選擇以及溫度控制 系統(tǒng)的超溫報警電路。它是整個控制

20、系統(tǒng)中最核心的部分，包括：鍵盤電路、顯示器 電路、超溫報警電路、復(fù)位電路、時鐘電路、傳感器電路及電機的控制。通過鍵盤的 控制來設(shè)定溫度，讀取顯示值，確定超溫報警。下面介紹單片機管腳分布及各個管腳的功能，管腳分布如下圖：L231 4567891011121J14151611S1920STC89C52RCP1.0/T2VCCP1.1/T2EXPO.O/ADOPl,2P0.1/AD1Pl.3PO.2/AD2Pl.4P03/AD3P1.5/MOSIP0.4/AD4PO5/AD5PL.7/SCKPO.6/AD6RESETPO.7/AD7RXD/P3.0EAAVPTXD/P3 丄ALE.-PROGINT0

21、/P3.2PSENINT1ZP3.3P2,7/AD15T0/P34P2.6/AD14T1/P3.5P2.5/AD13WRP3.6P2.47AD12RD/P3 JP2.3/AD11XTAL2P2,2/AD10XTAL1P2.1/AD9GNDP2.07AD8圖 3.2 STC89C52RC 管腳圖4039383735 343B1323130292812H262524232B 21 1各引腳功能介紹：（1）電源引腳Vcc和GNDVcc 電源電壓，正常運行時為+5V電壓GND接地（2）外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1內(nèi)部振蕩電路反向放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接 地。XTAL2 內(nèi)部振

22、蕩電路反向放大器的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器是時，此引腳接外部振蕩源。（3）控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD復(fù)位輸入。RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期上高電平，單片機復(fù)位。ALE/PROG 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE （地址鎖存允許） 輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE以時鐘振蕩頻 率的16輸出正脈沖信號，所以它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN 外部程序存儲器的選通信號。從外部程序存儲器取指令期間，PSEN在每個機器周期內(nèi)兩次有效。EA/Vpp內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當(dāng)EA/Vpp為高電平時訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)EA/Vpp為低電

23、平時，訪問外部程序存儲器。（4）輸入/輸出引腳P0 口 8位雙向I/O 口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作輸出口時，每位能驅(qū)動 8 個TTL邏輯門電路，對端口寫“ 1”為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， 分別轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。P1 口 8位準(zhǔn)雙向并行I/O 口。在片內(nèi)編程和程序校驗期間，作低8位地址總 線用。P1 口的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P2 口 8位準(zhǔn)雙向并行I/O 口。當(dāng)訪問外部存儲器時，作高 8位地址總線用。 不作外部功能擴展時，則作雙準(zhǔn)向I/O 口用。在片內(nèi)程序校驗時，作高8位地址線用。 P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P3 口一一具有內(nèi)部上拉電

24、路的8位準(zhǔn)雙向并行I/O端口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動4 個TTL邏輯門電路。同時還具有第二特殊功能。其具體含義如下：表3.1 P3 口的第二功能端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（ P3.0）串行輸入口T0（ P3.4）定時/計數(shù)器0外部輸入TXD（ P3.1）串行輸出口T1（ P3.5）定時/計數(shù)器1外部輸入INTO（ P3.2）外中斷0WR（ P3.6）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通INT1 （ P3.3）外中斷1RD（ P3.7）外部數(shù)據(jù)存儲器度選通3.2單片機硬件電路設(shè)計3.2.1溫度傳感器部分本設(shè)計使用集成式溫度傳感器， 即DS18B20,是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 可組網(wǎng)數(shù)字式

25、溫度傳感器。全部傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成 電路內(nèi)，如圖3.3。數(shù)字溫度傳感器芯片封裝起來，具有耐磨耐碰，體積小，使用方 便，微型化、低功耗、高性能抗干擾能力強，適用小空間及設(shè)備數(shù)字測溫及控制領(lǐng)域， 可直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號（按9位二進制數(shù)字）給單片機處理。這個傳感器 為電流型，依賴于電流所輸出的數(shù)值為溫度的表示。其獨特性在于靈敏度較高，是具有高阻性質(zhì)的電源流。DS18B20是單線制溫度傳感器IC, 1、2腳分別是電源和地， 3腳是I/O 口。圖3.3溫度芯片DS18B20DS18B20的特性為： 溫度測量范圍-55oC 125oC，測溫分辨率可達0.0625oC。具

26、有獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條線即可 實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。測量結(jié)果用9位數(shù)字量串行方式傳送。DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn) 多點測溫。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。綜上所述，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片 DS18B20測量溫度。該芯片的物理化學(xué) 性能穩(wěn)定，能用做工業(yè)測溫元件，并且此元件線形好。在 0-100攝氏度時，最大線形 偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。322鍵盤電路設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除了復(fù)位鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能。其他的按鍵

27、及鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。鍵盤是實現(xiàn)人機對話的一種重要輸入方式。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩 類。非編碼鍵盤電路簡單，易于實現(xiàn)，有的還可以直接利用單片機的1/0 口進行擴展。 按鍵的閉合和釋放、消除鍵抖動功能都是用軟件實現(xiàn)，成本較低。非編碼鍵盤的識別 可以采用查詢和中斷兩種方式，利用中斷方式和查詢方式的主要區(qū)別在于CPU不必像查詢方式那樣要不斷地對鍵盤是否有按鍵按下進行查詢。這時CPU可以執(zhí)行其它的命令或進入休眠狀態(tài)。在利用中斷方式時，也需要延時以便消除鍵抖動，通過逐行 逐列掃描等步驟確定的哪一個鍵按下。中斷方式具有更好是實時性。編碼鍵盤是由硬件電路來實現(xiàn)鍵盤編碼，由硬

28、件來識別按鍵的閉合和釋放、消除按鍵抖動影響以及實 現(xiàn)一些保護措施以實現(xiàn)編碼鍵盤功能。但是這種系統(tǒng)需要外加芯片，會使系統(tǒng)的設(shè)計 成本大大增加。鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入：為了去抖，我采用軟件法。它是在檢測到有鍵按下時， 執(zhí)行一個10ms的延時程序后，在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)。如果保持閉合 狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。鍵盤輸入的主要對象包括各種按鍵和開關(guān)。這些按鍵和開關(guān)可以獨立使用，也可以以組合鍵的方式使用。單片機中常用的按鍵式鍵盤可以分為兩類：矩陣式和獨立連續(xù)式。矩陣式鍵盤是指由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣。這種鍵盤適合采用動態(tài)掃描方 式進行識別，即：如果采用高電平掃描，貝

29、U回送線必須被下拉為低電平。如果采用低 電壓掃描，回送線必須被上拉為高電平。這種鍵盤的優(yōu)點是控制功能較多，矩陣按鍵 與功能直接對應(yīng)，每一按鍵接通只給CPU送入預(yù)先設(shè)定的指令：使用較少的1/0端口 線可以實現(xiàn)對較多鍵的控制。為了減少鍵盤與單片機接口所占用的1/0端口線的數(shù)目， 我采用的是4行4列矩陣鍵盤，把16個鍵排列成4X4的矩陣形式，則只需使用一個 8位I/O端口就可完成控制。該矩陣鍵盤的電路結(jié)構(gòu)圖如下：鍵盤中共有16個鍵用于方便設(shè)定溫度0, 4控制電機；5控制半導(dǎo)體制冷器;控制小型風(fēng)扇;8位數(shù)碼管是動態(tài)掃描顯示的，控制位為 0表示該位顯示，為1表示該位不顯示， 動態(tài)顯示時始終保持1位顯示，

30、而其它位不顯示。比如顯示1234ABCD，首先是P1.0 保持低電平，P1.1和P1.2口位都保持高電平，然后把1的字型碼發(fā)到數(shù)據(jù)口 P1.4口，延 時10ms；在把P1.0保持低電平，P1 口其它位均保持高電平，然后把2的字型碼發(fā)送到 P1.4-P1.7,延時10ms如此把“ 1234ABCD ”都發(fā)一遍，即實現(xiàn)了動態(tài)刷新。雖然每 次只有一位顯示數(shù)字，但由于人眼的遲滯性，看到的即是靜態(tài)的。圖3.6數(shù)碼管電路設(shè)計324復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位是單片機的初始化操作，它的主要功能是使單片機初始化為 0000H,使其從 0000H單元開始執(zhí)行程序。不僅能使系統(tǒng)進入正常初始化，而且當(dāng)程序運行出錯使系 統(tǒng)處于鎖

31、死狀態(tài)時，能使單片機重新正常工作，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。RSET引腳是復(fù)位的輸入端。復(fù)位信號有效時為高電平，其有效持續(xù)時間24個震蕩脈沖周期。 如果使用頻率是6MHZ的晶振，那么復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4us才可完成復(fù)位操作。 復(fù)位引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平，單片機就能完成復(fù)位。325時鐘電路設(shè)計時鐘電路設(shè)計是當(dāng)單片機工作時，提供所需要的時鐘信號。單片機本身就是一個 復(fù)雜的同步時序電路程序，為了保證實現(xiàn)同步工作方式，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控 制下，嚴(yán)格地按時序進行工作。時鐘系統(tǒng)是微型計算機控制器(MCU)的一個重要部分，它產(chǎn)生的時鐘信號能貫徹整個芯片。時鐘系統(tǒng)設(shè)計得好壞關(guān)系到整個芯片組能否

32、 正常工作。然而它不適合應(yīng)用在各種高性能微處理器芯片上。而采用人工設(shè)計邏輯并 手工輸入電路圖的方法，形成的時鐘信號能使設(shè)計的電路靈活，性能更好。CPU核分微處理器(MPU)和微控制器(MCU)兩種，兩者的基本時鐘一般都以單頻 方波的形式提供。時鐘信號有三種產(chǎn)生方式：一是用壓控振蕩跟據(jù)聲音可調(diào)頻范圍較 寬的時鐘信號；二是用晶體振蕩器產(chǎn)生精確而穩(wěn)定的時鐘信號： 三是結(jié)合以上兩種方 法，用壓控振蕩器來生成時鐘信號?；跁r鐘信號的產(chǎn)生包括內(nèi)部方式和外部方式兩種，本次設(shè)計采用內(nèi)時鐘方式。 內(nèi)時鐘方式是指：禾I用芯片內(nèi)部電路；在 XTALI，XTAL2的引腳上外接定時元件， 內(nèi)部振蕩器能產(chǎn)生自激振蕩，定時

33、元件常采用石英晶體和電容的并聯(lián)諧振回路。禾U 用儀器可以觀察到 XTAL2輸出的正弦波。晶體應(yīng)在 1.2MHZ-12MHZ之間選擇，電 容應(yīng)在5pf-30pf之間選擇，電容C1和C2的大小對振蕩頻率有微小影響，能起到頻 率微調(diào)作用。在設(shè)計印刷版時，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，保證振蕩器可靠工作。具體電路組成如下圖：3.2.6RS-232串口電路設(shè)計MAX232是常用的5V系統(tǒng)RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。在3.3V系統(tǒng)中，MAX232作 為驅(qū)動芯片。該芯片的功能是將 5V系統(tǒng)的偽RS-232通信轉(zhuǎn)換為12V系統(tǒng)負(fù)邏輯的真RS-232通信，因此，單片機可以通過 232串行總線

34、和電腦通信。其中 MAX-232的10、11腳分別與單片機的P3.1和P3.0連接。327超溫報警電路設(shè)計當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理處理后，超過溫度上限時，單片機通過P3.2 口輸出控制信號驅(qū)動三極管Q8,使繼電器K1斷開。系統(tǒng)進入報警程序，三極管 Q7工作，使發(fā)光 二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)超過溫度下線時，既有相同的效果。該電路的工作由單 片機源程序控制。具體電路連接圖如下：328降壓電路設(shè)計由于發(fā)電機的額定電壓為24V,其輸出的電壓值也會有一定的波動， 蓄電池的額 定電壓為12V，因此需要一個降壓穩(wěn)壓電路來達到所需的直流電壓值。即12V-24V的降壓電路為：從蓄電池到單片機仍需要一個降壓穩(wěn)壓電路，

35、即12V-5V降壓電路圖為:圖3.12 12V-5V降壓電路3.2.9穩(wěn)壓電路設(shè)計12V的蓄電池外接半導(dǎo)體制冷器時，需要一個穩(wěn)壓電路，使輸出的直流電壓基本 不受負(fù)載電阻變化以及電壓波動的影響，獲得穩(wěn)定性足夠高的 12V的直流電壓。即 直接在12V電源后加一個穩(wěn)壓二極管即可實現(xiàn)。3.2.10電機控制電路設(shè)計當(dāng)人蹬自行車時，輸入的功率不同，那么所帶動的負(fù)載也就不同。因此，我設(shè)計 了控制負(fù)載個數(shù)的電路，來實現(xiàn)這個要求。4.1軟件設(shè)計流程圖4軟件設(shè)計4.2溫度控制程序（見附錄）5結(jié) 論本次畢業(yè)設(shè)計是一套知冷暖的綠色健身系統(tǒng)。利用人騎車時的機械功帶動發(fā)電機 轉(zhuǎn)子進行發(fā)電，從而向其他用電設(shè)備節(jié)能型供電。此

36、設(shè)計的最大特點就是不需要外部 電網(wǎng)絡(luò)進行供電，并且設(shè)計了一套半導(dǎo)體制冷器，它是一種先進的制冷方式，較之傳 統(tǒng)的機械壓縮式制冷系統(tǒng)更快速，效率更高，而且更加環(huán)保。針對健身環(huán)境、運動器械、人運動的特點，設(shè)計的這套健身發(fā)電系統(tǒng)無論從理論 上還是從實踐上都具有可行性。雖然很多人都在制作半導(dǎo)體制冷器， 但大多是外加電 網(wǎng)電源供電，而非自發(fā)供電。針對國家強調(diào)發(fā)展低碳經(jīng)濟，節(jié)能環(huán)保的課題，半導(dǎo)體 制冷器不需要任何類似氟利昂制冷劑。 在溫度控制方面，使用單片機控制，將軟件與 硬件有效結(jié)合起來，有效的提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過鍵盤來設(shè)定溫度值，實現(xiàn)了簡 單的人機對話，并將溫度值在數(shù)碼管上顯示出來，實現(xiàn)了溫度的自動

37、控制。因此，這 款綠色健身器及小型制冷器具有較廣闊的市場前景。電能的綜合利用，使這款健身器更加人性化，功能全面化。舒適的健身環(huán)境，吸 引更多的人參與到健身中去，促進了全民健身運動。其經(jīng)濟效益與實用價值使其更加 具有實用意義。參考文獻陳俊峰永磁電機(下冊)交流電機和直流電機M.中國電力出版社,1982.3康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社,1991.5王文郁.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路M.機械工業(yè)出版社，2001.8劉鴻文.材料力學(xué)M.第四版.高等教育出版社,2003.3:112-130濮良貴等.機械設(shè)計M.第八版.高等教育出版社，2008:143-166 育才.單片微型計算機及其應(yīng)用M.南京：東

38、南大學(xué)出版社，2004:68-82趙聰慧，張波，張淑娟.基于人機工程學(xué)的健騎機的設(shè)計與仿真J.機械管理開發(fā),2010.1張宏巍,于建廣，周宏濤.基于單片機的健身器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計J.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010.1:72-73趙言，門廣亮等.基于電力電子控制電路的健身單車發(fā)電系統(tǒng)的研制J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009:79陳和恩，陳揚技.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的健身車系統(tǒng)J.現(xiàn)代制造工程,2007.9:132-133肖東娟，任家俊,吳鳳林.健身器材的人機工程分析與評價系統(tǒng)J.機械管理開發(fā),2009.2:43-44高欣等.自行車仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)J.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005:1164-1167曹巧媛.單

39、片機原理及應(yīng)用M.第二版.北京：電子工業(yè)出版社,2002金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社,2002趙娜等 基于51單片機的溫度測量系統(tǒng)J.微計算機信息，2007.2:146-148a,ba, *N.Ari ,A.Kribus . Impact of the Peltier effect on concentrating photovoltaic cellsJ.SolarEnergy Materials & Solar Cells 2010(94):2446 -2450D. Astrain *,J.G. Via n, J. Albizua. Computational model

40、 for refrigerators based on Peltier effect即 plicati on J. Applied Thermal En gi neerin g2005(25): 3149-3162附錄#i nclude #i ncludevi ntri ns.h#defi ne nop_nop_()#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned charsbit DQ1= P3A4;sbit DQ1=P3A5;sbit LED_0=P1A0；sbit LED_ 1= P1A1；sbit LED_2=PM2;sbit

41、Light_0=P2A6;sbit Light_ 1=卩2八7;sbit Speaker=P2A5;sbit P3_2=P3A2;int ALARM_TH=0 x32;int ALARM_TL=0 x00;int temp_value=0;void display_temp(void);#define BUSY1 (DQ1=0)/定義 busy信號 sbit LED_0=PM0；void display (un sig ned char d1, un sig ned char d2, un sig ned char d3, un sig ned char d4)聲明 顯示函數(shù)void ds_r

42、eset_1(void);聲明 18B20 復(fù)位函數(shù)void wr_ds18_1(char dat);聲明 18B20 寫入函數(shù)voidtime delay(unsigned char time);/聲明延時函數(shù)聲明18B20讀入溫度函數(shù)/聲明延時函數(shù)/聲明獲取溫度函數(shù)/聲明18B20初始化函數(shù)聲明18B20獲得溫度顯示值函數(shù)int get_temp_1(void); void delay (un sig ned int x);int get_temp_d(void);void ds_i nit(void);void ds_getT(void);un sig ned char a16=0 xc

43、0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8.0 x80,0 x90,0 x88,0 x83,0 xc6,0 xa1,0 x86,0 x8e;/共陽極數(shù)碼管的段碼0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E Fun sig ned char f;溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分定義小數(shù)計算部分/18B20初始化使用該函數(shù)獲得溫度，整數(shù)部分存儲到TemH，un sig ned char rd_ds18_1();un sig ned int TemH,TemL;un sig ned int count;void display_temp()while

44、(1)dsni t();ds_getT();小數(shù)部分存儲到count的低8位display(TemH/10)%10,TemH%10,(cou nt/10)%10),(cou nt%10);溫度發(fā)送到數(shù)碼管顯示void dsn it(void)un sig ned int k=0;ds_reset_1();ds_reset_1();/resetwr_ds18_1(0 xcc);/skip rom_nop_();wr_ds18_1(0 x7f);ds_reset_1();wr_ds18_1(0 xcc);_nop_();wr_ds18_1(0 x44);for(k=0;k11000;k+)time

45、_delay(255);ds_reset_1();void ds_getT(void)wr_ds18_1(0 xcc);wr_ds18_1(0 xbe);TemH=get_temp_1();TemL=get_temp_d();Tem H&=0 x00ff;TemL&=0 x00ff;cou nt=(TemH*256+TemL)*6.25;void time_delay(unsigned char time)time=time-10; time=time/6; while(time!=O)time-;void ds_reset_1(void)un sig ned char idata coun

46、t=0;DQ1=0;time_delay(240);time_delay(240);DQ1=1;return;void check_pre_1(void)while(DQ1);while(DQ1);time_delay(30);bit tmrbit_1(void)idata char i=0;bit dat;DQ1=0;_nop_();DQ1=1;_nop_();nop();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();dat = DQ1;time_delay(50);return dat;un sig ned char rd_ds18_1()un sig ned char idata i,j,dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tmrbit_1();dat=(j(i-1)|dat;return dat;un sig ned char rd_ds18_1;() un sig ned char idate l,j,dat=O;for (i=