王佳磊 薛蕊 宋洪福 梁宸 杜宁林 张家宁 王荣骏

摘要：随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，据专家预测，煤炭还可开采221年，石油29年，天然气只能用50年。由能源短缺而引发的电力紧缺问题日益突出，2015-2016年的持续“电荒”、全国用电负荷同比增长15.2%，这些状况都对经济和社会的可持续发展提出严峻考验。解决能源问题，唯一的出路就是有计划的利用常规能源、节约能源和开发新能源。另一方面，我国经济高速发展，人民生活水平逐步提高，业余精神生活的充实和身心的健康发展受到人们的重视，越来越多的人热衷于健康投资，以丰富自己的闲暇生活。同时，人们的体育意识不断增强，健身活动全面普及，体育健身消费已成为现代人生活消费的重要组成部分，健身运动也渐渐走进了普通百姓的生活，各类健身房应运而生。

关键词：室外;自给;STM32F103

引言

利用健身场所中人体消耗的能量发电以供其他用电设备的正常运转，这是健美瘦身、强健体魄的时尚生活方式与节能减耗、绿色环保时代主题的完美结合。在新能源的探索日新月异，节能产品层出不穷的今天，健身器材发电无疑是具有规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，同时也是普通民众从点滴做起，通过能源的二次利用变废为宝的典范。在举国上下为构建节约型社会而不懈奋斗的今天，健身器材发电以降低运营成本为根本保障，开发新能源为最终目标，具有广阔的市场空间和深远的推广意义。随着科技的发展和社会的进步，人们的生活水平也在 不断提升，手机电脑等高科技产品的使用，使越来越多的 人身体处于亚健康状态，人们意识到运动能给人们带来诸 多益处。然而，由于外界空气污染日益严重，为了保持良好 的身体机能，人们大多愿意选择在室内健身房进行锻炼， 但是根据调查显示，在健身房锻炼的人群主要是利用跑步 机、力量器械、有氧操、瑜珈等常规的项目进行锻炼，多数 人偏爱于跑步机与力量器械。如果我们能够设计一套装 置，以消耗卡路里转化为机械能再转化为电能的方式将人 体生物能源利用起来，将产生更多的经济效益和社会效 益。现阶段火力发电仍然是我国的主导，节约所使用的电 能也就是减少了二氧化碳的排放。一种将户外健身器产生能量转换的系统，该系统包括能量产生装置、机械转换机构、发电装置和用电设备，能量产生装置的种类有大转轮健身器、扭腰健身器和推力健身器，通过健身员的健身运动将自身的体能转换为健身器材的机械能，通过转动轴连锁机构将健身器材外部的运动转移到内部的机械转换机构中，通过转速调整机构将转速慢、不适合进行发电的转动能量转换为高速的运动，机械转换机构产生的高速运动为发电机的转子提供能量，使转子进行高速转动，达到满足发电要求的转速，实现机械能到电能的转换，并将发电机产生的电能存储在蓄电池中，为用电设备提供电源，实现能量的综合利用。

1硬件系统设计

1.1 系统构成

为了能将发电装置产生的电能储存起来，让运动消耗 的一部分能量能够为照明或小功率用电设备提供能源，本 装置通过传动装置、永磁发电机、二极管、24V 的蓄电池等 一系列设备进行储电处理。 由于人们使用健身器械时的齿轮转速较低，此产品通 过减速器传动装置，将低转速转变为高转速，转速提高到 一定的倍数并带动永磁发电机的转子转动，此时发电机输 出具有一定电压、频率脉动的交流电，再经过二极管整流 桥整流使之变为电压脉动的直流电，电压脉动的直流电再 经过滤波装置和稳压装置，得以输出稳定幅值的直流电 压，再接于 24V 的蓄电池将电能存储起来;当用电设备接 入运行时，控制板发出控制信号，蓄电池向负载进行放电。

1.2 控制模块设计

由于发电机[1]提供的电源频率波形并不是理想的正弦 波，电压波动、频率波动、波形畸形和瞬时停电等情况都可 能使对电流敏感的设备停止运行，同时电压尖脉冲极可能会损坏设备中的原件。因此需要中断控制电路对其进行控 制，本装置利用 Arduino 单片机控制电路主芯片对电流的 有无进行高低电平的设置，最终得以实现电路的通断控 制。当外设判断到发电设备停止运作时，告知中断控制器， 切断电路，以保证当设备因停止运作而断电时，使整个电 路断开，防止蓄电池电流的回流，以保证蓄电池工作的独 立性。

1.3发电模块

发电模块包含内啮合齿轮增速机构、发电机两部分;当有人用漫步机锻炼时，腿部运动带动漫步机踏板做摆动，外齿轮与踏板是一体的，则外齿轮就转动，外齿轮转动带动内齿轮增速转动，内齿轮固定在发电机上，带动电机发电。机械能通过齿轮增速机构进行能量传递，并且实现增速。作品局部透视图如图2所示：

1.4储电模块

储电模块包含整流稳压单元、蓄电池、保护电路单元;实现将产生的交流电经整流稳压后变为12V直流电，再将直流电储存到蓄电池，并在蓄电池充电和放电时进行过充和过放电路保护。

整流稳压单元包含整流电路，对发电机所产生的交流电进行整流稳压得到12V直流电，再送入蓄电池进行储存。整流稳压得到的12V直流电，在使用时不需要任何的转化，而且直流电更便于储存。该电路包含桥式整流电路和12V稳压电路，具体电路如图3所示

桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。它利用二极管的单向导通性进行整流，常用来将交流电转变为直流电。而半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流的作用：将交流发电机产生的交流电变为直流电，以实现向用电设备供电和向蓄电池充电;限制蓄电池电流倒流回发电机，保护发电机不被逆电流烧坏。

保护单元具有对蓄电池在充电时过充保护和防反接保护，在放电时过放保护的功能。蓄电池的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。储电模块状态流程图，如图4所示。

2 工作原理及实物展示

通过实验设计出了一个健身器材发电装置。制作过程中，各模块协调良好，性能稳定 。完成制作后，作品外形图如图5所示，作品模拟工作图如图6所示。

3 结论

本次设计实现的主要任务如下：

（1）简述了投油烟管道清洗机器人在国内外的基本研究现状，并且说明了本设计的研究意义和油烟管道清洗机器人未来的发展趋势。

（2）设计油烟管道清洗机器人结构，特制磁吸附式履带结构，关键机构采用3D打印技术进行零件打造。同时提出了一套以STM32为控。天破、求功能，设计出了油烟管道清洗机器人的各硬件部分。

（3）利用KEIL5编程软件完成油烟管道清洗机器人程序的设计编写，从部分到整体，从基本模块调试到最终系统稳定，完成油烟管道清洗机器人的运行调试。

参考文献

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作者简介：王佳磊（2001-），男，山东省青岛市人，学士，研究方向：控制工程。

该项目由省级创新创业训练项目《室外健身发电装置》（S202113320082）支持。