顧雙雙+周裕杰+黃佳+張睿超

摘 要：隨著電子科技的不斷發(fā)展，眾多節(jié)能、實用的裝置方便了人們的生活。為了滿足在遠離電源或處于停電狀態(tài)的特殊情況下（如偏遠山區(qū)、戶外旅行和重大自然災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場）為隨身攜帶的電子設(shè)備供電。文中基于發(fā)電機與單片機原理，研究了一種固定在膝蓋上的便攜式發(fā)電裝置。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)發(fā)電；能量轉(zhuǎn)換；單片機；發(fā)電裝置

中圖分類號：TK69 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

近年來，人們對移動電子設(shè)備的依賴程度不斷升級，這些設(shè)備范圍從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備（如心臟起搏器、機電或神經(jīng)假肢）到消費產(chǎn)品（如手機、數(shù)碼相機和GPS）。在遠離電源的特殊情況下，如何保證這些電子設(shè)備的正常運行尤為重要。本文為解決這一問題，研究了一種固定在膝蓋上的便攜式發(fā)電裝置，該裝置的設(shè)計也體現(xiàn)了綠色節(jié)能可持續(xù)的重要理念。

本文研究的膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置不需要外部電源而將人體行走時膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，并將電能進行存儲后為移動電子設(shè)備充電。本方案在各模塊設(shè)計時，考慮盡可能減小能量損耗的問題，此外，本文通過單片機控制電路閉合的時段來減少行走時裝置對人體的阻力。實驗表明，該裝置能夠為小型電子設(shè)備提供較為穩(wěn)定的電源。

1 工作原理

該裝置主要由齒輪組、發(fā)電機、整流穩(wěn)壓、控制與USB升壓模塊組成。齒輪組添加在發(fā)電機與固定裝置之間，通過提高轉(zhuǎn)速比使發(fā)電機獲得較高的轉(zhuǎn)速，所得轉(zhuǎn)速比約為1：100。為了能夠?qū)崿F(xiàn)較大電能的輸出，通過對多種電磁式發(fā)動機進行輸出電壓測試，選定三相交流發(fā)電機作為發(fā)電源。在發(fā)電機輸出端進行整流穩(wěn)壓以得到穩(wěn)定的直流電。為了匹配電子設(shè)備的充電電壓需求，需對鋰電池的電壓進行升壓操作。此外，為了減少行走時裝置對人體的阻力，電路需要在適當(dāng)?shù)臅r間段內(nèi)斷開，因此我們需要在發(fā)電機與儲能電源間增加一個電子開關(guān)，利用單片機對其進行控制，控制條件由電位器所測數(shù)據(jù)決定。最終裝置實物圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 儲能裝置的選擇

超級電容和儲能鋰電池是常見的儲能設(shè)備。超級電容的使用壽命和功率密度較電池都有優(yōu)勢，但由于其能量密度大大低于電池的能量密度，且在具體電路中對于安裝位置有較高要求，因此在選擇容值及其他一些參數(shù)上有較大困難，超級電容也不適合在較長時間范圍內(nèi)儲能，綜合以上因素本文確定使用能量密度較高、放電功率較大的鋰電池組作為發(fā)電裝置的儲能裝置。

圖1 裝置實物圖

2.2 控制模塊的設(shè)計

考慮到MOS管的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻小，柵極驅(qū)動無需電流，損耗小，因此，本文用MOS管作為儲能電源接入電路與否的控制開關(guān)。此外需要對電位器采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，為了盡可能降低此模塊的能量損耗，本文使用內(nèi)置A/D端口、功耗較小的STC12系列單片機。

2.2.1 電子開關(guān)的設(shè)計

本文使用TS5A23157型號的MOS管來實現(xiàn)電路的開閉，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TS5A23157型號的MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在控制電路中，利用MOS管的2、9、10三個端口實現(xiàn)電子開關(guān)功能，從圖2可以看出：2號端口和9號或10端口構(gòu)成一個電子開關(guān)，當(dāng)2號端口和9號端口連接時，MOS管導(dǎo)通；當(dāng)9號端口和10號端口連接時MOS管斷開。電子開關(guān)功能需受單片機控制，即在人腿屈伸的某些時間段開關(guān)閉合，給鋰電池充電，而其余的時間開關(guān)斷開，停止對鋰電池充電，這樣達到減少裝置對人腿的阻力的作用，方便使用者的行走。

2.2.2 電子開關(guān)開閉的條件

圖3是人在行走時單腿在一個周期內(nèi)的伸曲過程。伸展階段的角速度比收縮階段角速度小，導(dǎo)致了發(fā)電效率也相對較低，而裝置對人體行走有一定的阻力，且這個阻力不可忽略，所以優(yōu)先選用收縮階段。在收縮階段的開始和結(jié)束部分角速度相較于中間階段要小，所以最終選用收縮階段中間的時間段進行發(fā)電，此時，電子開關(guān)閉合，其他時間段電子開關(guān)斷開。電位器通過電壓的變化體現(xiàn)角速度的變化，且兩者之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。本文使用電位器采集膝關(guān)節(jié)部位的運動狀態(tài)，判斷其處于何種階段后，將信息發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)收到的信息，控制電子開關(guān)的閉合。

圖3 人體行走圖

單片機控制程序源代碼如下：

#include “stc12c5a.h”

unsigned char a[2]，b[2]，c=0，D[30]， a1=0， a2=0， a3=0；

void main（void）

{ unsigned char i=0，j，k，m，status；

ADC_CONTR|=0x80；

for （m=0；m<10000；m++）；

P1ASF=0x04；

ADC_CONTR=0xE2；

delay（1000）；

while（c<30）

{ADC_CONTR|=0x08；

for（j=0；j<2；j++）

{status=0；

while（status==0）

{ status=ADC_CONTR&0x10；}

ADC_CONTR&=0xE7；

a[j]=ADC_RES*2；

delay（100）；

}

if（a[0]！=a[1]）

{ if（a[0]>a[1]）

D[i]=a[0]-a[1]；

else

D[i]=a[1]-a[0]；

i++；

delay（100）；

}

else{c++；

delay（100）；

}

}

for（k=0；k

{ a2+=D[i]；}

a3=a2/i；

while（1）

{unsigned char l；

for（l=0；l<2；l++）

{status=0；

while（status==0）

{ status=ADC_CONTR&0x10；}

ADC_CONTR&=0xE7；

b[l]=ADC_RES*2；

delay（100）；

}

if（b[0]>=50&&b[1]>=50）

{if（b[0]>b[1]）

a1=b[0]-b[1]；

else

a1=b[1]-b[0]；

if（a1>a3）

P0=0x01；

else

P0=0x00；

delay（1000）；

}

}

控制模塊最終的實體如圖4所示。

圖4 控制模塊電路

2.3 穩(wěn)壓模塊的設(shè)計

本文首選LM系列穩(wěn)壓芯片對發(fā)電機產(chǎn)生的經(jīng)過整流后的電壓進行穩(wěn)壓。為了保證穩(wěn)壓芯片的正常工作及鋰電池的正常充電，輸出電壓在3.7 V左右。在實際操作過程中，此電路在發(fā)電機連續(xù)發(fā)電期間，輸出的電壓波形類似于方波，即在一個周期內(nèi)有一部分電壓值為0 V，這說明此電路的電壓轉(zhuǎn)換效率不高，因此，我們利用專門的鋰電池充電板進行穩(wěn)壓。具體電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5左側(cè)為輸入電壓接口，輸入范圍為3～5 V，右側(cè)為輸出電壓接口，充電截止電壓為4.2 V。

2.4 升壓模塊的設(shè)計

由于鋰電池的輸出電壓在3.6 V左右，而手機的充電電壓為5 V，鋰電池不能直接為手機充電。因此本文選擇首先對鋰電池的輸出電壓進行升壓，然后利用USB接口為手機進行充電。經(jīng)過篩選、測試，本文選擇圖6所示的升壓模塊，模塊的電壓轉(zhuǎn)換效率較高，并且在充電時有指示燈指示。

圖5 穩(wěn)壓模塊電路 圖6 升壓模塊電路

3 結(jié) 語

本文介紹了一種固定在膝蓋上的便攜式發(fā)電裝置，該裝置不需要外部電源而將人體行走時膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，并將電能進行存儲后為移動電子設(shè)備充電。本裝置可進一步優(yōu)化，如減輕裝置質(zhì)量、提高裝置發(fā)電效率和儲能電源壽命等。此外，還可對裝置進行人性化和智能化的處理，如顯示鋰電池的儲能百分比、控制手機的充電時間、調(diào)節(jié)充電不同階段的電流大小等。

參考文獻

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