CN101322874B - 智能训练器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种健身器材，特别是一种智能型训练器及其控制电路，包括：发电机、脚踏、转动轮、惯性轮、左右把手、负载及设有控制电路的控制盘；所述负载包括负载电阻、充电电池或外接用电器，所述发电机与所述惯性轮同轴固接；所述发电机的输出端接控制电路，经控制电路整流稳压后输出接负载电阻、充电电池或通过输出接头接用电器；所述控制电路监测充电电池用电器的用电情况，并将多余的电能送至负载电阻；所述控制电路中储存多种运动模式软件，不仅能完成训练、健身和发电，而且能适应不同人群训练需要；采用MCU控制，具有良好的人机界面，在使用过程中进行语音提示，对可能出现的危险进行报警，从而提高了整机的人性化。

Description

智能训练器及其控制电路

技术领域

本发明涉及一种健身器材，特别是一种融训练、健身和发电为一体的智能型训练器及其控制电路，具体来说是在智能化控制的基础上增加发电功能，使运动者的运动能量得到有效利用；控制器中设置多种健身模式，适应各种人群的需要，并可对人的体能素质进行评定，也可对一些疾病进行健康调理。

背景技术

目前，从训练工作原理上来说，国内外存在三大类，即：机械摩擦式、磁控式或涡流式、自发电式。机械摩擦式和磁控式健身车是一种功能比较单一的纯健身器械，这两类健身车使运动者在运动过程中逐渐消耗自身的能量。

机械摩擦式是运动者通过脚踏，经皮带轮传递给一个大的惯性轮，惯性轮进行圆周运动，加上一个摩擦系统，形成负载。调解摩擦力的大小，使运动者在运动过程中达到锻炼的目的。其优点是制造成本低，生产工艺简单，适合大批量生产。缺点是功能单一，感觉不好，款式陈旧。

磁控式(涡流式)健身车分为两种形式，即永磁磁控式和电磁磁控式。永磁磁控式是运动者通过脚踏，经皮带轮传递给一个大的钢性轮进行圆周运动。在大的钢性轮外面设置永磁体，钢性轮切割磁力线，产生涡流，形成负载。通过调节永磁体与钢性轮之间的间隙来调节阻力的大小。其优点是制造成本低，无噪音，寿命长。缺点是加工精度要求高，功能单一。电磁磁控式是运动者通过脚踏，经皮带轮传递给一个大的涡流片作圆周运动。在涡流片的两面设置电磁线圈，通过调节电磁线圈的电流来调节阻力的大小，从而使运动者在运动过程中达到锻炼的目的。其优点是制造成本低，重量轻，无噪音，寿命长。缺点是加工难度较大，需要外接电源，消耗电能，技术含量偏低。

自发电式是运动者通过脚踏，经皮带轮带动一台发电机，从而发出电能，通过调节发电机负载大小来调节阻力的大小，从而使运动者在运动过程中达到锻炼的目的。其优点是功能多样，调节简单，已成为当前市场的主流。

例如200520000625.4实用新型专利所提供的新型的健身车公开了以下技术内容：包括车架、扶手、显示板、车坐、脚踏机构和负载，扶手和车坐分别连接在车架的上部前后位置，显示板安装在扶手上，脚踏机构安装在车架的下部并通过传动机构与负载传动连接，其特征在于：所述的负载为发电机及连接在其输出端的电气负载和蓄电池。该实用新型的彩色液晶显示器通过其驱动电路和控制器的控制，可以显示各种与运动有关的彩色图案和数据，大大提高了其使用功能和趣味性；本专利的运动平衡装置的位置传感器发出脉冲信号，此信号传递到控制器，经其计算处理，判断转速、位置及转向，并用此来调节负载大小，使使用者感觉用力均匀和舒适；本专利的发电机、蓄电池、整流器和逆变器能把人运动产生的能量转化为直流或交流电能储存或向外部输出供用电器使用。该专利对于运动者的运动情况通过传感器进行检测，并通过显示器显示运动数据，但不能对不同运动者的身体情况提供合理的运动指导。

专利号97108467.X公开了一种多功能智能健身器，含有健身器主体(1)和心率传感器(3)；其特征是在健身器主体(1)上及其相对应的机械运动部分对应设有速度传感器定块(6)和动块(5)；速度传感器(5)(6)与心率传感器(3)的电信号与设在健身器主体(1)上的健身控制盘(2)内的健身运动信号处理电路相连；健身运动信号处理电路是由心率、速度信号滤波、放大、整形电路、键盘电路、电源电路、CPU微处理器及其程序存储器、数据存储器、时钟、译码、逻辑控制电路、图像产生电路及射频调制电路组成；另由CPU微处理器输出的模拟运动画面的随机信号经D/A转换、放大处理后的电信号与健身器主体(1)的机械运动阻尼感应件相连。提供一种根据有氧健身运动数学模型设计的软件可将采集的身高、体重、年令、静心率进行运算后输出健身者的最佳有氧健身运动量，结合模拟运动画面的图像数据可通过显示终端实时显示模拟运动画面，并根据传感器测定的人体的心率、速度信号经处理后使健身者的运动量控制在最佳有氧健身运动量范围，且实时显示脉拍、行程、时间以及运动成绩及热量消耗、累计运动量、成绩等，还可根据国家运动量运动成绩模型而进行比赛运动，从而使健身运动充满趣味性、娱乐性使户内健身运动达到户外健身之功效，并能对健身运动的最佳运动量实现有效的自动监控目的和随机自动调节机械运动部分阻尼负荷的多功能智能健身器。该发明专利尚有以下可改进之处：1、采用阻尼感应磁块和阻尼感应线圈作为负载，运动者的运动能量不能得到有效利用；2、仅提供一种根据有氧健身运动数学模型设计的软件，不能适应多种人群的需要，特别是各种慢性病患者的强身需要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一款既能达到专业锻炼效果、又能使运动能量得到有效利用，并能指导多种不同健康状况人群强身锻炼的智能训练器及其控制电路。

本发明的上述目的是由如下技术方案来实现的。

一种智能型训练器，包括：脚踏、由脚踏驱动的转动轮、通过皮带传动连接转动轮的发电机、与发电机同轴相连的惯性轮、左右把手、负载及设有控制电路的控制盘；其特征在于：所述负载括负载电阻、蓄电池或外接用电器，所述发电机与所述惯性轮同轴固接；所述发电机的输出端接控制电路，经控制电路整流稳压后输出接负载电阻、蓄电池或通过输出接头接用电器；所述控制电路监测蓄电池用电器的用电情况，并将多余的电能送至负载电阻。

所述的智能型训练器，其特征在于：所述控制盘设置于左右把手中央，包括盒体、面板、及设于盒体内的电子元件及电路板，所述面板上设有触摸式图形液晶显示器、扬声器。

所述的智能型训练器，其特征在于：所述显示器为触摸式图形液晶显示器。

所述的智能型训练器，其特征在于：所述发电机为高效多相发电机，具体是高效五相交流发电机。

所述的智能型训练器，其特征在于：所述负载电阻是大功率、低阻值的水泥电阻，是将大功率、低阻值电阻用水泥包围封死在支架内。

本发明还提供一种用于上述智能型训练器的控制电路，包括整流稳压电路、微控制单元MCU、显示器、语音电路，所述微控制单元MCU的多个串行接口分别连接整流稳压电路、显示器、语音电路，所述微控制单元MCU连接传感器及存储器，其特征在于：所述存储器中固化有多种指导不同人群进行锻炼的专业健身模式。

所述的控制电路，其特征在于：所述整流稳压电路包括整流桥和稳压器，所述整流桥是五组大功率二极管所构成的五相全波整流器桥，所述微控制单元MCU连接所述稳压器，所述稳压器是标准的单象限降压型DC/DCBUCK控制器，其中整流桥将交流发电机整流为直流；DC/DCBUCK控制器按照系统要求对电压或电流进行稳定控制，并将输出的电压电流数值作为运动检测量送微控制单元MCU；所述DC/DCBUCK控制器为两组，一组接蓄电池充电或用电器，另一组接负载电阻。

所述的控制电路，其特征在于：所述专业健身模式包括体能测试模式、糖尿病健身模式、高血压健身模式、关节健身模式、高血脂健身模式、无氧训练模式、有氧训练模式、等动训练模式、充电运动模式、充电限阻力运动模式、体闲运动模式及恒功率训练模式。

所述的控制电路，其特征在于：设有数字信号处理器DSP，所述传感器包括速度传感器、电压、电流传感器通过通讯器件接所述数字信号处理器DSP，所述数字信号处理器DSP接所述微控制单元MCU；所述数字信号处理器DSP选用TMS320C2000系列的TMS320LF2407，所述通讯器件选用MAX3232A。

所述的控制电路，其特征在于：所述微控制单元MCU的型号为ATMEGA128，包含三组串行接口，串口0通过接口单元与BUCK DC/DC控制器通讯，串口1负责与液晶显示器通讯，SPI串行接口与语音电路通讯，可以生成需要的语音，语音经音频放大后通过扬声器播放。

本发明的智能型训练器不仅能完成训练、健身和发电，而且训练效果能够达到专业级别，具有12种专业健身模式；针对要求输出电压精度高的特点，采用了成型的快速PID电压控制技术，可以使输出电压控制在系统要求的±1V；采用MCU控制，具有良好的人机界面，在使用过程中进行语音提示，对可能出现的危险进行报警，从而提高了整机的人性化。

实现专业化的训练运动模式，即采用先进的电子技术和控制技术，将训练者在训练时通过脚踏带动高效电机发出的电进行控制，既可以实现专业的模式，达到专业锻炼的效果，也可按照设定值输出电压或电流，存贮在蓄电池中或供用电设备使用。

附图说明

图1为本发明本发明智能型训练器的立体示意图；

图2为本发明智能型训练器的控制电路示意图；

图3为本发明智能型训练器的控制电路中的采样电路示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明智能型训练器的立体示意图，由图可见，本发明所提供的智能型训练器，包括：脚踏1、由脚踏1驱动的转动轮2、通过皮带3传动连接转动轮2的发电机6、与发电机同轴相连的惯性轮4、左右把手5、负载及设有控制电路10的控制盘7；其中：所述负载包括负载电阻8、蓄电池或外接用电器9，所述发电机6与所述惯性轮4同轴固接；所述发电机6的输出端接控制电路10，经控制电路10整流稳压后输出接负载电阻8、蓄电池23或通过输出接头外接的用电器；所述控制电路10监测蓄电池用电器的用电情况，并将多余的电能送至负载电阻8。

所述控制盘7设置于左右把手5的中央，包括盒体、面板、及设于盒体内的电子元器件及电路板，所述面板上设有显示器、扬声器、电源开关。

所述显示器为触摸式图形液晶显示器，显示器属于人机交互，用于进行健身参数设置和信息显示。

所述发电机为高效多相发电机，具体是高效五相交流发电机，采用多相发电机的目的是整流后直流的纹波系数小，适合高精度控制需要。

所述负载电阻8是大功率、低阻值的水泥电阻，是将大功率、低阻值电阻用水泥包围封死在支架内；负载电阻根据需要将多余的能量消耗。

本发明还提供一种用于上述智能型训练器的控制电路10，如图2所示，包括整流稳压电路11、微控制单元MCU12、显示器73、语音电路13、传感器15及存储器16，所述微控制单元MCU12的多个串行接口分别连接整流稳压电路11、显示器73、语音电路13，触摸式图形液晶显示器73用于健身过程中信息的提示，其与MCU直接相接，可显示模式、程序、性别、年龄、身高、体重、阻力、速度、距离、功率、热量、时间；语音模块与MCU相接，根据系统的运行情况和采集到的信息进行报警、提示，还可播放健身音乐；微控制单元通过RS232与DC/DC控制器通讯，进行信息的交换。所述存储器16中固化有多种指导不同人群进行锻炼的专业健身模式。

所述专业健身模式主要包括下列12种：

(1)、体能测试模式

运动者根据音乐节拍蹬车，阻力随着时间增加而增加，当运动者停止蹬车时，控制电路会根据运动者的蹬车时间长短判断体能的好坏，提出测试报告以及相应的锻炼方案。

(2)、糖尿病健身模式

控制电路根据运动者输入的参数，设计出不同的阻力大小，在不同的时间段里，播放出不同节奏的音乐，运动者跟随蹬车，从而达到改善血糖指标的目的。

(3)、高血压健身模式

控制电路根据运动者输入的参数，根据血压的不同程度，设计出不同的阻力大小，在固定的时间段里，运动者跟随蹬车，从而达到改善血压指标的目的。

(4)、关节健身模式

控制电路根据运动者输入的参数，设计出固定的阻力大小，在固定的时间段里，运动者跟随蹬车，从而达到改善关节指标的目的。

(5)、高血脂健身模式

控制电路根据运动者输入的参数，设计出固定的阻力大小，在固定的时间段里，运动者跟随蹬车，从而达到改善高血脂指标的目的。

(6)、无氧训练模式

运动者在此模式下全力运动，阻力随着转速的增加自动迅速增加，屏幕显示阻力曲线。

(7)、有氧训练模式

运动者可根据自己的体能随意设定阻力的大小，根据上述数据通过控制电路计算出运动者所消耗的能量。这种运动模式设定后，阻力不随转速改变而变化。控制电路根据运动者输入的数据自动计算出所消耗的能量和阻力。

(8)、等动训练模式

在这种模式下，运动者速度越高，阻力就越大。

(9)、充电运动模式

这种运动模式自动最大限度地把运动者消耗的能量转换成电能并传输出去通过电池存储起来。

(10)、充电限阻力运动模式

在这种运动模式下，按发电机限电流处理，负载电阻回路关闭，按照规定的电流值给电池充电。

(11)、休闲运动模式

运动者可根据自己的性别、年龄、身高、体重等数据通过控制电路随机选择出适当的曲线。

(12)、恒功率训练模式

在这种运动模式下，控制电路按照恒定的功率设计阻力，系统实现恒功率控制。

具体方法是，锻炼者先打开控制盘7上的电源开关，稍后，按压触摸式图形显示器，显示器将显示模式菜单，然后对菜单中的列项进行选择，对于菜单中的健康指标数据进行修改使符合锻炼者的实际情况，然后按确定键，再按健身启动，即可进行所设定模式的训炼。

所述整流稳压电路11包括整流桥111和稳压器112，所述整流桥111是五组大功率二极管所构成的五相全波整流器桥，将负载五相发电机所发的五相交流电整流成直流送稳压器，所述微控制单元MCU连接所述稳压器112，所述稳压器112是标准的单象限降压型DC/DC BUCK控制器，DC/DC BUCK控制器按照系统要求对电压或电流进行稳定控制，并将输出的电压电流数值作为运动检测量送微控制单元MCU12；所述DC/DCBUCK控制器为两组，一组接蓄电池充电或通过外接插头接用电器，另一组接负载电阻。所述DC/DCBUCK控制器的输出电压分别经过电阻分压采样，采样信号送入微控制单元MCU，用于稳定输出电压。整体电路全部选择标准电路，有利于性能稳定。

图3为本发明智能型训练器的控制电路中的采样电路示意图。在本发明的控制电路10中还设有采样电路，所述采样电路是将传感器15检测到的信号进行快速处理即时送微控制单元MCU12和数字信号处理器DSP17，所述传感器包括速度传感器、心律传感器、电压、电流传感器，所述传感器15通过通讯器件18接所述数字信号处理器DSP17，所述数字信号处理器DSP17接所述微控制单元MCU12；所述数字信号处理器DSP17选用TMS320C2000系列的TMS320LF2407，所述通讯器件选用MAX3232A。TMS320LF2407器件内部集成了一个10位的模数转换器ADC。该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换。

所述微控制单元MCU的型号为ATMEGA128，包含三组串行接口，串口0通过接口单元与BUCK DC/DC控制器通讯，串口1负责与液晶显示器73通讯，SPI串行接口与语音电路13通讯，可以生成需要的语音，语音经音频放大后通过扬声器播放。

Claims (9)

1.一种智能型训练器，包括：脚踏、由脚踏驱动的转动轮、通过皮带传动连接转动轮的发电机、与发电机同轴相连的惯性轮、左右把手、负载及设有控制电路的控制盘；其特征在于：所述负载包括负载电阻、蓄电池或外接用电器，所述发电机与所述惯性轮同轴固接；所述发电机的输出端接控制电路，经控制电路整流稳压后输出接负载电阻、蓄电池或通过输出接头接用电器；所述控制电路监测蓄电池、用电器的用电情况，并将多余的电能送至负载电阻。

2.根据权利要求1所述的智能型训练器，其特征在于：所述控制盘设置于左右把手中央，包括盒体、面板、及设于盒体内的电子元件及电路板，所述面板上设有图形液晶显示器、扬声器及按键。

3.根据权利要求2所述的智能型训练器，其特征在于：所述显示器为触摸式图形液晶显示器。

4.根据权利要求1所述的智能型训练器，其特征在于：所述发电机为高效多相发电机，具体是高效五相交流发电机。

5.根据权利要求1所述的智能型训练器，其特征在于：所述负载电阻是大功率、低阻值的水泥电阻，是将大功率、低阻值电阻用水泥包围封死在支架内。

6.一种用于权利要求1所述智能型训练器的控制电路，包括整流稳压电路、微控制单元MCU、触摸式图形液晶显示器、语音电路，所述微控制单元MCU的多个串行接口分别连接整流稳压电路、显示器、语音电路，所述微控制单元MCU连接传感器及存储器，其特征在于：所述存储器中固化有多种指导不同人群进行锻炼的专业健身模式；所述整流稳压电路包括整流桥和稳压器，所述整流桥是五组大功率二极管所构成的五相全波整流器桥，所述微控制单元MCU连接所述稳压器，所述稳压器是标准的单象限降压型DC/DCBUCK控制器，其中整流桥将交流发电机输出的交流整流为直流；DC/DCBUCK控制器按照系统要求对电压或电流进行稳定控制，并将输出的电压电流数值作为运动检测量送微控制单元MCU；所述DC/DCBUCK控制器为两组，一组接蓄电池充电或用电器，另一组接负载电阻。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于：所述专业健身模式包括体能测试模式、糖尿病健身模式、高血压健身模式、关节健身模式、高血脂健身模式、无氧训练模式、有氧训练模式、等动训练模式、充电运动模式、充电限阻力运动模式、休闲运动模式及恒功率训练模式。

8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于：设有数字信号处理器DSP，所述传感器包括速度传感器、电压、电流传感器通过通讯器件接所述数字信号处理器DSP，所述数字信号处理器DSP接所述微控制单元MCU；所述数字信号处理器DSP选用TMS320C2000系列的TMS320LF2407，所述通讯器件用MAX3232A。

9.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于：所述微控制单元MCU的型号为ATMEGA128，包含三组串行接口，串口0通过接口单元与BUCK DC/DC控制器通讯，串口1负责与液晶显示器通讯，SPI串行接口与语音电路通讯，可以生成需要的语音，语音经音频放大后通过扬声器播放。

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