CN112791342B - 一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法 - Google Patents

一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法，通过控制电路和控制方法的设计，解决了在快速运动中永磁自发电机产生的大电流回流在提供阻力的同时也会让其磁铁退磁损坏；由于运动速度变化引起的电流变化将改变阻力，而偏离阻力水平设定值等问题。包括：永磁自发电机、整流滤波单元、回流调节单元、采样及数字化单元、中控单元；所述永磁自发电机、所述整流滤波单元、所述回流调节单元依次电连接后接入所述中控单元；所述采样及数字化单元输入端与所述回流调节单元电连接，输出端接入所述中控单元。

Description

一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法。
背景技术
随着全民健康全民健身运动的推广，全国各地安装越来越多的户外健身器材，人体肢体力量训练是健身运动的重要项目；采用低速低压大电流发电能力的永磁自发电机作为抗阻力量训练器的阻力源是保证短行程安全运动的一种选择，但是在快速运动中永磁自发电机产生的大电流回流在提供阻力的同时也会让其磁铁退磁损坏；另外，由于运动速度变化引起的电流变化将改变阻力，而偏离阻力水平设定值；这都成为采用永磁自发电机的缺陷。
发明内容
本发明为一种户外抗阻力量训练器控制电路及控制方法，通过控制电路和控制方法的设计，解决了在快速运动中永磁自发电机产生的大电流回流在提供阻力的同时也会让其磁铁退磁损坏；由于运动速度变化引起的电流变化将改变阻力，而偏离阻力水平设定值等问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种户外抗阻力量训练器控制电路，包括：
永磁自发电机，所述永磁自发电机作为抗阻力量训练器阻力源；
整流滤波单元，所述整流滤波单元用以保证所述永磁自发电机发电电压较低时可以正常导通整流输出电流；
回流调节单元，所述回流调节单元用以控制回流电流的大小，以调节阻力和保护所述永磁自发电机；
采样及数字化单元，所述采样机数字化单元用以采集永磁自发电机发电电流及回流，并将其数字化；
中控单元，所述中控单元用以对所述采样及数字化单元采集到的信号进行运算处理，并输出相应的控制信号，以保护所述永磁自发电机和调节训练阻力；
所述永磁自发电机、所述整流滤波单元、所述回流调节单元依次电连接后接入所述中控单元；所述采样及数字化单元输入端与所述回流调节单元电连接，输出端接入所述中控单元。
进一步的，所述整流滤波单元包括肖特基二极管SD1、肖特基二极管SD2、肖特基二极管SD3、肖特基二极管SD4、肖特基二极管SD5、肖特基二极管SD6以及滤波电容C1；所述肖特基二极管SD1与所述肖特基二极管SD4串联，所述肖特基二极管SD2与所述肖特基二极管SD5串联，所述肖特基二极管SD3与所述肖特基二极管SD6串联；所述肖特基二极管SD1的负极、所述肖特基二极管SD2的负极、所述肖特基二极管SD3的负极连接，再与所述滤波电容C1的负极连接后接地；所述所述肖特基二极管SD4、所述肖特基二极管SD5、所述肖特基二极管SD6的正极与所述滤波电容C1的正极连接；
所述永磁自发电机的三个输出端依次接入所述所述肖特基二极管SD1与所述肖特基二极管SD4之间，所述肖特基二极管SD2与所述肖特基二极管SD5之间，所述肖特基二极管SD3与所述肖特基二极管SD6之间。
进一步的，所述回流调节单元包括电阻R1、电阻R2以及场效应管M1；所述电阻R1一端与所述中控单元连接，另一端和所述电阻R2串联后接地；所述场效应管M1的栅极接入所述电阻R1和所述电阻R2之间，源极接入所述采样及数字化单元；漏极与所述滤波电容C1的正极连接。
进一步的，所述采样及数字化单元包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C2、二极管D1、集成运算放大器D1以及模数转换ADC；所述电阻R3一端与所述场效应管M1的源极连接，另一端与所述集成运算放大器D1的同向输入端连接；所述电阻R4一端接入电源，另一端与所述电阻R5串联后接地；所述集成运算放大器D1的反向输入端接入所述电阻R4与所述电阻R5之间；所述集成运算放大器D1的输出端接入所述模数转换ADC的输入端，所述模数转换ADC的输出端接入所述中控单元；所述电容C2的正极与所述电阻R3的另一端连接，负极接地；所述二极管D1的正极接地，负极与所述集成运算放大器D1的同向输入端连接。
进一步的，还包括负载电阻R6，所述负载电阻R6一端与所述场效应管M1的源极连接，另一端接地。
进一步的，还包括次数感应器、阻力调节编码器以及显示器，所述次数感应器、所述阻力调节编码器、所述显示器均接入所述中控单元；所述次数感应器用于采集运动次数，所述阻力调节编码器采用飞梭旋钮编码器作为阻力设置输入装置；所述显示器用于展示所述中控单元的输出数据。
进一步的，还包括供电单元，所述供电单元为整个控制电路提供电源；包括太阳能发电板、蓄电池、电压转换器；所述太阳能发电板的负极接地，正极接入所述电压转换器的输入端；所述电压转换器的储能端与所述蓄电池的正极连接，所述蓄电池的负极接地；所述电压转换器的负极接地，输出端与所述采样及数字化单元、所述中控单元、所述显示器、所述阻力调节编码器的电源端连接。
一种户外抗阻力量训练器控制方法，包括，
步骤1，中控单元内预先设置保护限制电流值，同时所述中控单元根据阻力调节编码器设置输出给场效应管M1的脉宽调制PWM信号，开启永磁自发电机回流通道；
步骤2，通过采样机数字化单元，采集永磁自发电机的回流电流，并将其通过模数转换ADC进行模数转换，然后将采样电流数值输入所述中控单元；
步骤3，所述中控单元将采样数值与保护限制电流值比较，若采样数值小于保护限制电流值，则进一步将采样数值与阻力设置电流值比较；反之，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比，然后再将采样数值与阻力设置电流值比较；
步骤4，将采样数值与阻力设置电流值比较，若采样数值大于阻力设置电流值，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；若采样数值等于阻力设置电流值，则给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比不变；采样数值小于阻力设置电流值，则升高给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；
步骤5，将步骤4中判断信号反馈回中控单元。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、本发明基于自发电机的户外抗阻力量训练器控制电路和控制方法，能够实时监测使用者推或拉产生的发电电流回流(即采样电流)，当电流回流达到保护限制电流值时降低场效应三极管的控制极的脉宽调制信号占空比，从而降低回流值以保护永磁自发电机不受过流而消磁损坏；同时也将发电电流回流数值与阻力调节编码器所设的数值进行比较，自动调整回流值以调节阻力。
二、本发明采用肖特基二极管组成的整流滤波单元，在使用者使用基于自发电机的户外抗阻力量训练器慢速训练时，低压降的肖特基二极管可以保证永磁自发电机发电电压较低时可以正常导通整流输出电流。
三、本发明中回流调节单元，通过场效应管M1的使用，进而控制回流电流的大小、调节阻力并保护永磁自发电机不受过流而消磁损坏。
四、本发明中采用太阳能发电板、蓄电池和电压转换器组成的供电单元，为基于自发电机的户外抗阻力量训练器控制电路提供电源，使其适应户外使用环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明控制电路的示意图；
图2为本发明供电单元的示意图；
图3为本发明控制方法的流程图的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种户外抗阻力量训练器控制电路，包括：
永磁自发电机(101)，所述永磁自发电机(101)作为抗阻力量训练器阻力源；
整流滤波单元(1)，所述整流滤波单元(1)用以保证所述永磁自发电机(101)发电电压较低时可以正常导通整流输出电流；
回流调节单元(2)，所述回流调节单元(2)用以控制回流电流的大小，以调节阻力和保护所述永磁自发电机(101)；
采样及数字化单元(3)，所述采样机数字化单元用以采集永磁自发电机(101)发电电流及回流，并将其数字化；
中控单元(151)，所述中控单元(151)用以对所述采样及数字化单元(3)采集到的信号进行运算处理，并输出相应的控制信号，以保护所述永磁自发电机(101)和调节训练阻力；
所述永磁自发电机(101)、所述整流滤波单元(1)、所述回流调节单元(2)依次电连接后接入所述中控单元(151)；所述采样及数字化单元(3)输入端与所述回流调节单元(2)电连接，输出端接入所述中控单元(151)。
通过上述结构，本发明采用永磁自发电机(101)，其低速下发电电压低但电流大，适合于运动行程短的推或拉抗阻力量训练；本发明能够实时监测使用者推或拉产生的发电电流回流(即采样电流)，当电流回流达到保护限制电流值时降低场效应三极管的控制极的脉宽调制信号占空比，从而降低回流值以保护永磁自发电机(101)不受过流而消磁损坏；同时也将发电电流回流数值与阻力调节编码器所设的数值进行比较，自动调整回流值以调节阻力。
所述整流滤波单元(1)包括肖特基二极管SD1(121)、肖特基二极管SD2(122)、肖特基二极管SD3(123)、肖特基二极管SD4(124)、肖特基二极管SD5(125)、肖特基二极管SD6(126)以及滤波电容C1(127)；所述肖特基二极管SD1(121)与所述肖特基二极管SD4(124)串联，所述肖特基二极管SD2(122)与所述肖特基二极管SD5(125)串联，所述肖特基二极管SD3(123)与所述肖特基二极管SD6(126)串联；所述肖特基二极管SD1(121)的负极、所述肖特基二极管SD2(122)的负极、所述肖特基二极管SD3(123)的负极连接，再与所述滤波电容C1(127)的负极连接后接地；所述所述肖特基二极管SD4(124)、所述肖特基二极管SD5(125)、所述肖特基二极管SD6(126)的正极与所述滤波电容C1(127)的正极连接；
所述永磁自发电机(101)的三个输出端依次接入所述所述肖特基二极管SD1(121)与所述肖特基二极管SD4(124)之间，所述肖特基二极管SD2(122)与所述肖特基二极管SD5(125)之间，所述肖特基二极管SD3(123)与所述肖特基二极管SD6(126)之间。
本发明中优选的采用肖特基二极管，在使用者使用基于永磁自发电机(101)的户外抗阻力量训练器慢速训练时，低压降的肖特基二极管可以保证永磁自发电机(101)发电电压较低时可以正常导通整流输出电流。
所述回流调节单元(2)包括电阻R1(137)、电阻R2(132)以及场效应管M1(131)；所述电阻R1(137)一端与所述中控单元(151)连接，另一端和所述电阻R2(132)串联后接地；所述场效应管M1(131)的栅极接入所述电阻R1(137)和所述电阻R2(132)之间，源极接入所述采样及数字化单元(3)；漏极与所述滤波电容C1(127)的正极连接。
本发明中通过采用电阻R1(137)和电阻R1(137)、场效应三极管M1组成永磁自发电机(101)回流调节单元(2)，控制回流电流的大小，以调节阻力和保护永磁自发电机(101)。
所述采样及数字化单元(3)包括电阻R3(134)、电阻R4(152)、电阻R5(153)、电容C2(135)、二极管D1(136)、集成运算放大器D1(151)以及模数转换ADC(141)；所述电阻R3(134)一端与所述场效应管M1(131)的源极连接，另一端与所述集成运算放大器D1(151)的同向输入端连接；所述电阻R4(152)一端接入电源，另一端与所述电阻R5(153)串联后接地；所述集成运算放大器D1(151)的反向输入端接入所述电阻R4(152)与所述电阻R5(153)之间；所述集成运算放大器D1(151)的输出端接入所述模数转换ADC(141)的输入端，所述模数转换ADC(141)的输出端接入所述中控单元(151)；所述电容C2(135)的正极与所述电阻R3(134)的另一端连接，负极接地；所述二极管D1(136)的正极接地，负极与所述集成运算放大器D1(151)的同向输入端连接。本发明中该单元采集永磁自发电机(101)发电电流及回流，并将其数字化。
还包括负载电阻R6(133)，所述负载电阻R6(133)一端与所述场效应管M1(131)的源极连接，另一端接地。
还包括次数感应器(181)、阻力调节编码器(161)以及显示器(171)，所述次数感应器(181)、所述阻力调节编码器(161)、所述显示器(171)均接入所述中控单元(151)；所述次数感应器(181)用于采集运动次数，所述阻力调节编码器(161)采用飞梭旋钮编码器作为阻力设置输入装置；所述显示器(171)用于展示所述中控单元(151)的输出数据。作为优选的，本发明中阻力调节编码器(161)采用飞梭旋钮编码器作为阻力设置输入装置。
本发明中，中控单元(151)优选采用单片机MCU，其型号优选为STM32F103C8T6；其中通过采样及数字化单元(3)采集永磁自发电机(101)发电电流及回流数字量，并将其信号传输至单片机MCU；同时阻力调节编码器(161)的设置信号也传送至单片机MCU，并结合预设的永磁自发电机(101)限流数据进行运算，单片机MCU向场效应三极管输出合适的脉宽调制PWM占空比的控制信号，以保护永磁自发电机(101)并调节训练阻力；次数感应器(181)采集动作感应信号并通过单片机MCU计算训练次数；同时单片机MCU将阻力水平、训练次数、时间等数据通过显示器(171)展示。
参照图2，还包括供电单元，所述供电单元为整个控制电路提供电源；包括太阳能发电板(23)、蓄电池(22)、电压转换器(21)；所述太阳能发电板(23)的负极接地，正极接入所述电压转换器(21)的输入端；所述电压转换器(21)的储能端与所述蓄电池(22)的正极连接，所述蓄电池(22)的负极接地；所述电压转换器(21)的负极接地，输出端与所述采样及数字化单元(3)、所述中控单元(151)、所述显示器(171)、所述阻力调节编码器(161)的电源端连接。
本发明主要用于户外抗阻力量训练器，将供电单元设置为太阳能供电单元，避免接拉供电电源，是的该器材更加适合户外的使用。
参照图3，一种户外抗阻力量训练器控制方法，包括，
步骤1，中控单元(151)内预先设置保护限制电流值，同时所述中控单元(151)根据阻力调节编码器(161)设置输出给场效应管M1(131)的脉宽调制PWM信号，开启永磁自发电机(101)回流通道；
步骤2，通过采样机数字化单元，采集永磁自发电机(101)的回流电流，并将其通过模数转换ADC(141)进行模数转换，然后将采样电流数值输入所述中控单元(151)；
步骤3，所述中控单元(151)将采样数值与保护限制电流值比较，若采样数值小于保护限制电流值，则进一步将采样数值与阻力设置电流值比较；反之，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比，然后再将采样数值与阻力设置电流值比较；
步骤4，将采样数值与阻力设置电流值比较，若采样数值大于阻力设置电流值，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；若采样数值等于阻力设置电流值，则给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比不变；采样数值小于阻力设置电流值，则升高给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；
步骤5，将步骤4中判断信号反馈回中控单元(151)。
本发明中，中控单元(151)优选采用单片机MCU，预先在单片机MCU中设置上述控制方法，将控制方法与本发明的控制电路相结合，以实现保护永磁自发电机(101)不受过流而消磁损坏；同时也将发电电流回流数值与阻力调节编码器(161)所设的数值进行比较，自动调整回流值以调节阻力的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种户外抗阻力量训练器控制电路，其特征在于，包括：
永磁自发电机，所述永磁自发电机作为抗阻力量训练器阻力源；
整流滤波单元，所述整流滤波单元用以保证所述永磁自发电机发电电压较低时可以正常导通整流输出电流；
回流调节单元，所述回流调节单元用以控制回流电流的大小，以调节阻力和保护所述永磁自发电机；
采样及数字化单元，所述采样及数字化单元用以采集永磁自发电机发电电流及回流，并将其数字化；
中控单元，所述中控单元用以对所述采样及数字化单元采集到的信号进行运算处理，并输出相应的控制信号，以保护所述永磁自发电机和调节训练阻力；
所述永磁自发电机、所述整流滤波单元、所述回流调节单元依次电连接后接入所述中控单元；所述采样及数字化单元输入端与所述回流调节单元电连接，输出端接入所述中控单元；
所述整流滤波单元包括肖特基二极管SD1、肖特基二极管SD2、肖特基二极管SD3、肖特基二极管SD4、肖特基二极管SD5、肖特基二极管SD6以及滤波电容C1；所述肖特基二极管SD1与所述肖特基二极管SD4串联，所述肖特基二极管SD2与所述肖特基二极管SD5串联，所述肖特基二极管SD3与所述肖特基二极管SD6串联；所述肖特基二极管SD1的负极、所述肖特基二极管SD2的负极、所述肖特基二极管SD3的负极连接，再与所述滤波电容C1的负极连接后接地；所述肖特基二极管SD4、所述肖特基二极管SD5、所述肖特基二极管SD6的正极与所述滤波电容C1的正极连接；
所述永磁自发电机的三个输出端依次接入所述肖特基二极管SD1与所述肖特基二极管SD4之间，所述肖特基二极管SD2与所述肖特基二极管SD5之间，所述肖特基二极管SD3与所述肖特基二极管SD6之间；
所述回流调节单元包括电阻R1、电阻R2以及场效应管M1；所述电阻R1一端与所述中控单元连接，另一端和所述电阻R2串联后接地；所述场效应管M1的栅极接入所述电阻R1和所述电阻R2之间，源极接入所述采样及数字化单元；漏极与所述滤波电容C1的正极连接；
所述采样及数字化单元包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C2、二极管D1、集成运算放大器D1以及模数转换ADC；所述电阻R3一端与所述场效应管M1的源极连接，另一端与所述集成运算放大器D1的同向输入端连接；所述电阻R4一端接入电源，另一端与所述电阻R5串联后接地；所述集成运算放大器D1的反向输入端接入所述电阻R4与所述电阻R5之间；所述集成运算放大器D1的输出端接入所述模数转换ADC的输入端，所述模数转换ADC的输出端接入所述中控单元；所述电容C2的正极与所述电阻R3的另一端连接，负极接地；所述二极管D1的正极接地，负极与所述集成运算放大器D1的同向输入端连接；
还包括负载电阻R6，所述负载电阻R6一端与所述场效应管M1的源极连接，另一端接地；
还包括次数感应器、阻力调节编码器以及显示器，所述次数感应器、所述阻力调节编码器、所述显示器均接入所述中控单元；所述次数感应器用于采集运动次数，所述阻力调节编码器采用飞梭旋钮编码器作为阻力设置输入装置；所述显示器用于展示所述中控单元的输出数据；
还包括供电单元，所述供电单元为整个控制电路提供电源；包括太阳能发电板、蓄电池、电压转换器；所述太阳能发电板的负极接地，正极接入所述电压转换器的输入端；所述电压转换器的储能端与所述蓄电池的正极连接，所述蓄电池的负极接地；所述电压转换器的负极接地，输出端与所述采样及数字化单元、所述中控单元、所述显示器、所述阻力调节编码器的电源端连接。
2.一种户外抗阻力量训练器，其包括如权利要求1所述的一种户外抗阻力量训练器控制电路，所述力量训练器的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，中控单元内预先设置保护限制电流值，同时所述中控单元根据阻力调节编码器设置输出给场效应管M1的脉宽调制PWM信号，开启永磁自发电机回流通道；
步骤2，通过采样及数字化单元，采集永磁自发电机的回流电流，并将其通过模数转换ADC进行模数转换，然后将采样电流数值输入所述中控单元；
步骤3，所述中控单元将采样数值与保护限制电流值比较，若采样数值小于保护限制电流值，则进一步将采样数值与阻力设置电流值比较；反之，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比，然后再将采样数值与阻力设置电流值比较；
步骤4，将采样数值与阻力设置电流值比较，若采样数值大于阻力设置电流值，则降低给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；若采样数值等于阻力设置电流值，则给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比不变；采样数值小于阻力设置电流值，则升高给场效应管脉宽调制PWM信号的占空比；
步骤5，将步骤4中判断信号反馈回所述中控单元。
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