蘭 萍，劉旭光，劉洪春，李 奧，史自才

（西藏大學(xué) 工學(xué)院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

新型能源多合一充電寶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘭 萍，劉旭光，劉洪春，李 奧，史自才

（西藏大學(xué) 工學(xué)院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

針對(duì)充電寶的發(fā)展只停留在容量的現(xiàn)狀，新型充電寶的設(shè)計(jì)采用人體行走產(chǎn)生的機(jī)械能和自然界的太陽(yáng)能作為兩個(gè)供能能源。LM7805穩(wěn)壓電路，F(xiàn)M6136電源管理IC電路作為整流穩(wěn)壓電路。在行走健身的同時(shí)輸出穩(wěn)定的5V能源，從而解決移動(dòng)設(shè)備的能源續(xù)航問(wèn)題。

機(jī)械能；太陽(yáng)能；LM7805穩(wěn)壓；FM6136

目前霧霾嚴(yán)重、人類用電量急劇增加的時(shí)代，為了提倡節(jié)能環(huán)保、減少污染，保護(hù)環(huán)境，本設(shè)計(jì)作品充分借鑒人體力學(xué)、仿生學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了生物能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能供給手機(jī)等電子設(shè)備充電的功能。在突出傳統(tǒng)藏式設(shè)計(jì)的同時(shí)，做到的零污染、設(shè)計(jì)新型、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決了目前最普遍的手機(jī)等電子設(shè)備電量不足的問(wèn)題。同時(shí)，也為新型能源發(fā)電的方向提供了一定的參考。

4）升壓模塊：FM6136電源控制IC把蓄電池內(nèi)3.7 V電壓升壓到5 V輸出，一路供給照明和朵瑪尼彩燈，另一路輸出到USB充電口供給移動(dòng)電子設(shè)備能源。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)主要采可機(jī)械穿戴的減速電機(jī)作為機(jī)械能產(chǎn)生的能源。80mm*80mm的太陽(yáng)能板作為太陽(yáng)能供能能源，LM7805穩(wěn)壓電路作為穩(wěn)壓輸入，F(xiàn)M6136電源管理IC電路作為降壓升壓輸出端。本設(shè)計(jì)利用人體行走時(shí)大腿與小腿間產(chǎn)生的角度變化作為減速電機(jī)發(fā)電矢量值，配合太陽(yáng)能電板組成能源輸入系統(tǒng)，利用7805和FM6136電源電路實(shí)現(xiàn)人體發(fā)電后續(xù)航供能。

1）電磁轉(zhuǎn)動(dòng)模塊：由人體行走時(shí)大腿和小腿間角度的變化帶動(dòng)減速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變的電流。

2）太陽(yáng)能充電模塊：采集太陽(yáng)能產(chǎn)生直流電流。

3）充電寶電路：FM6136電源控制IC和7805穩(wěn)壓電路作為充電寶電路把穩(wěn)定的4.2 V電壓保存在蓄電池內(nèi)。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

1.2步行發(fā)電原理

當(dāng)人體行走時(shí)大腿與小腿間會(huì)自然產(chǎn)生一個(gè)約45度的夾角，利用這一機(jī)械運(yùn)動(dòng)使其帶動(dòng)減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而把源源不斷的生物能轉(zhuǎn)化為電能為電子設(shè)備充電。同時(shí)兼顧藏區(qū)太陽(yáng)能充足的特點(diǎn)，配置四片太陽(yáng)能充電板使其達(dá)到多能源充電的最優(yōu)化性能。

可行性分析：本次使用的減速電機(jī)為12 V、1 A、40轉(zhuǎn)/ min，其表示每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)40圈時(shí)可以產(chǎn)生約10 V電壓和最大0.8 A的電流，而手機(jī)充電的規(guī)格一般為5 V、0.75 mA。這說(shuō)明靠人體行走產(chǎn)生的電能足以滿足手機(jī)充電的可行性。

換句話說(shuō)，主流手機(jī)配備2 000 mA的鋰電池輸出電壓4.2 V，可知其所需充電量為4.2 V×2 000 mA=8.4 W。而人正常行走時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低的原因本次規(guī)格發(fā)電設(shè)備發(fā)12 W的電能最多需要轉(zhuǎn)動(dòng)100圈。依人體正常行走時(shí)腿部每次彎曲30度，行走0.8米。設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要360度即行走12次，100圈行走了120次。由S=1 200次×0.8米=960米可知人體行走960米就可產(chǎn)生12 W的電能（充滿2 000 MA的電池只需要8.4 W電能）。如果人體跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)備在高速下產(chǎn)生的電能會(huì)更加客觀。

此外，在設(shè)備四個(gè)方向配備有4塊8 cm×8 cm太陽(yáng)能發(fā)電板，平均功率可達(dá)到1 W，基本可滿足人體在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)充電的需求。

1.3方案

當(dāng)人體行走時(shí)大腿與小腿間會(huì)自然產(chǎn)生一個(gè)約45度的夾角，利用這一機(jī)械運(yùn)動(dòng)使其帶動(dòng)減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而把源源不斷的生物能轉(zhuǎn)化為電能供給電子設(shè)備充電。同時(shí)兼顧藏區(qū)太陽(yáng)能充足的特點(diǎn)，配置四片太陽(yáng)能充電板使其達(dá)到最優(yōu)化的性能。

圖2是圖形分解解釋（原始圖形來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)）：

圖2　步行圖

起步行走準(zhǔn)備：大腿和小腿之間夾角為180度，如圖2（左）。

抬腳行走：大腿和小腿自然夾角30度，如圖2（中）。

跑步運(yùn)動(dòng)：大腿和小腿達(dá)到的最大角度為70度左右，如圖2（右）。這些角度的循環(huán)變化正是給設(shè)備提供了源源不斷的動(dòng)力用來(lái)發(fā)電，供給手機(jī)電池。

1.4LM7805穩(wěn)壓電路

LM7805穩(wěn)壓電路的輸入端P2連接橋式整流電路使人體行走時(shí)產(chǎn)生的交流電整合成直流。C1電容起到濾波作用，C2電容防自激，P1端為穩(wěn)壓輸出端，這樣就利用LM7805完成了整流穩(wěn)壓的要求。

圖3　LM7805穩(wěn)壓電路

1.5FM6136充電寶管理IC

FM6316是一塊應(yīng)用于移動(dòng)電源，集成了鋰電池充電管理，DC-DC升壓及負(fù)載檢測(cè)功能于一體的便攜式電源管理IC。FM6316集成了包括涓流充電，恒流充電和恒壓充電全過(guò)程的充電方式，并含有充電過(guò)程及充電結(jié)束狀態(tài)指示燈；恒流充電電流通過(guò)外加電阻編程；系統(tǒng)在充電狀態(tài)下會(huì)關(guān)閉輸出放電路徑；綜合性能符合本設(shè)計(jì)各方面的需求。

參照FM6316芯片各管腳的功能，如典型應(yīng)用電路所示紅色LED為充電進(jìn)行指示，R1電阻為限流電阻。電池為經(jīng)過(guò)升壓端輸出到VOUT端口，充電完成時(shí)STDBY端拉低，充電未完成時(shí)CHRG端拉低。LX引腳為功率開關(guān)輸出端，VOUT端口輸出時(shí)，D1燈點(diǎn)亮。PROG引腳為充電電流調(diào)整端口。BAT為鋰電池，這樣就構(gòu)成了典型的FM6316充放電電池管理IC電路。

圖4　典型應(yīng)用電路

綜合各功能電路，組構(gòu)成本設(shè)計(jì)所需充電放電電路。

其中P2端連接減速電機(jī)設(shè)計(jì)輸出端，P1和太陽(yáng)能發(fā)電板接J1端，B+接B+，B-接B-，D+接D+，D-接D-。OUT端口輸出測(cè)試電壓端。

1）測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)充放電模塊利用太陽(yáng)能和人體行走產(chǎn)生的能源作為系統(tǒng)輸入的能源，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池4.3V充電，同時(shí)鋰電池4.3V經(jīng)過(guò)升壓電路5V輸出到輸出端。達(dá)到電壓標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出的功能。減速電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊，本設(shè)計(jì)采用了穿戴式的設(shè)計(jì)，目的是使使用者的疲勞感將至最低。綜上試驗(yàn)，系統(tǒng)可以滿足使用者對(duì)于充電寶的續(xù)航能力的要求，使充電更加人性化，也到達(dá)了用戶的健身目的。

圖5　總體電路

2）整體實(shí)物圖

本設(shè)計(jì)采用了可穿戴的輕型機(jī)械設(shè)計(jì)，以減速電機(jī)和太陽(yáng)能電板作為整個(gè)系統(tǒng)的原始發(fā)電電源，以常用的LM7805穩(wěn)壓電路、橋式整流電路、典型FM6136電源管理IC設(shè)計(jì)達(dá)到交流電AC-直流DC后穩(wěn)壓整流輸入，再升壓輸出的目的。實(shí)現(xiàn)了新型能源多合一充電寶的設(shè)計(jì)。整體實(shí)物圖如圖6所示。

圖6　整體實(shí)物圖

2　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合常用的LM7805穩(wěn)壓電路和橋式整流電路，作為整流穩(wěn)壓模塊，常見(jiàn)FM6136電源管理IC模塊實(shí)現(xiàn)充電穩(wěn)壓升壓的電路設(shè)計(jì)，穿戴式的整體設(shè)計(jì)使使用人性化，個(gè)性化。本文的設(shè)計(jì)可以在很大程度上提高充電寶的使用續(xù)航能力，也可以為新型能源個(gè)人使用化做一個(gè)參考方向。

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The design and achievement of new energy-one power bank

LAN Ping，LIU Xu-guang，LIU Hong-chun，LI Ao，SHI Zi-cai
（Department of Electronic and Information，School of Engineer，Tibet University，Lhasa 850000，China）

The development of power Bank only stays in the capacity.This design uses the mechanical energy produced by human walking and solar energy of nature as two energy to supply energy.LM7805 voltage regulator circuit and FM6136 Power Management IC circuit are rectifier and voltage stabilizing circuit.Fitness walking is achieved，and it outputs 5v.At the same time，the battery life of energy problem of the mobile device is also solved.

mechanical energy；solar energy；LM7805 regulator；FM6136

TN43

A

1674－6236（2016）16-0146-03

2015-10-25稿件編號(hào)：201510174

西藏自治區(qū)2014年大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目（2014QCX045）

蘭 萍（1981—），女，四川內(nèi)江人，碩士，講師。研究方向：射頻集成電路，通信與信息系統(tǒng)。