文長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡梅溪湖中學(xué)G1405班賀昱宸

帶計(jì)步功能的自發(fā)熱鞋

文長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡梅溪湖中學(xué)G1405班賀昱宸

俗話說(shuō)“寒從腳起”，如果足部保暖不當(dāng)，輕則引起不適，重則被凍傷。目前市場(chǎng)上的保暖設(shè)備因發(fā)熱量小、持續(xù)時(shí)間短，尚未得到廣泛應(yīng)用。因此我想設(shè)計(jì)一種既能讓足部保暖，又具有計(jì)步功能、儲(chǔ)存電能的鞋子。

一、設(shè)計(jì)原理

帶計(jì)步功能的自發(fā)熱鞋由發(fā)電儲(chǔ)能單元、發(fā)熱裝置、計(jì)步裝置、信號(hào)處理單元和無(wú)線傳輸單元組成，如圖1。

發(fā)電儲(chǔ)能單元根據(jù)電磁感應(yīng)原理發(fā)電并存儲(chǔ)至蓄電池中，蓄電池再向發(fā)熱裝置和計(jì)步裝置供電。計(jì)步裝置使用可充電式藍(lán)牙計(jì)步傳感器，其設(shè)置有信號(hào)處理單元和無(wú)線傳輸單元，通過藍(lán)牙與外部終端設(shè)備如智能手機(jī)交互數(shù)據(jù)。

1.發(fā)電方式的選擇

采用磁鐵-線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)發(fā)電。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與磁通量變化的快慢有關(guān)。線圈電阻R已知，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=NΔφ/Δt（1）。式中，N為線圈的匝數(shù)，Δφ為磁通量的變化，Δt為變化時(shí)間。

線圈中的感應(yīng)電流I=E/R（2）。由圖2可知，人體行走使磁鐵向下運(yùn)動(dòng)，回路內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。改變線圈的匝數(shù)便于實(shí)現(xiàn)且調(diào)節(jié)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，易滿足要求。

接著我進(jìn)行了發(fā)電量初計(jì)算。采用釹鐵硼N35永磁鐵，其磁通量為0.4Wb/m2～0.7Wb/m2；普通人常速步頻0.8步～1.2步/s；以成年人為例，體重多在50kg～70kg，為保證發(fā)電量計(jì)算的可靠性，取小值50kg。

人體行走的特點(diǎn)是前腳跟著地時(shí)，后腳掌還在地上，只有一只腳著地時(shí)，腳跟與腳掌同時(shí)承載著人體重量。在行走過程中腳跟承受的最大重量至少為人體重的一半，即25kg，約250N。人體行走上下起伏幅度約為4cm，考慮能量損耗，假定有30%的能量轉(zhuǎn)化為電能，彈簧復(fù)位，線圈再一次感應(yīng)發(fā)電，共產(chǎn)生兩次感應(yīng)電流。

由公式W=G·h（3）（其中G為人體重，h為人體行走上下起伏幅度），得每步轉(zhuǎn)換的電能為W0=2×（0.3×Gh）=2× 0.3×250N×0.04m=6J。

由能量公式P=W/t（4）得發(fā)電功率P0=W0（1/v）（v為步頻速）。取步頻值v=0.9步/s，除去其中的損耗量，功率取整數(shù)，則發(fā)電功率約為5W。

其發(fā)電功率與市面上售賣的發(fā)熱鞋所配制的電源總功率相當(dāng)，而計(jì)步器的功率又較小，在儲(chǔ)能功能存在的情況下，其自發(fā)電能滿足發(fā)熱與計(jì)步的要求。

2.電路分析

整流電路的輸出可通過電容進(jìn)行濾波。在輸入正弦電壓的一個(gè)周期內(nèi)，電容器充電兩次，放電兩次，反復(fù)循環(huán)。橋式整流電容濾波電路使輸出電壓波形變得平直，起到濾波的作用。

電池采用類似手機(jī)鋰電池的設(shè)計(jì)。對(duì)比手機(jī)電池，在鞋子條件受限的情況下，該種電池設(shè)計(jì)容量能達(dá)到500mAh，且計(jì)步器的耗電遠(yuǎn)小于手機(jī)，能滿足使用需求。

令該電池額定電壓U為5V，發(fā)熱功率為5W，可釋放的電量為Q=IUt（5），得Q=0.5A·h×5V=2.5W·h。由公式Q= P0·t（6）得t=0.5h。

若電池技術(shù)提高，其供電性能還會(huì)改善許多。

3.發(fā)熱裝置的選擇

目前實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子加熱的發(fā)熱裝置有USB發(fā)熱片、硅膠發(fā)熱片、云母發(fā)熱片等，本設(shè)計(jì)采用的發(fā)熱裝置為碳纖維發(fā)熱片。它轉(zhuǎn)換率高，具有良好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)最高有700W/（m·k），約是銅的1.6倍、鋁的 2.7倍，用它作為發(fā)熱裝置具有升溫迅速等優(yōu)點(diǎn)。此外，碳纖維發(fā)熱片也是電性絕緣體，可防止漏電。

4.計(jì)步功能

為實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能，設(shè)計(jì)采用可充電式藍(lán)牙計(jì)步傳感器，該傳感器內(nèi)設(shè)有三個(gè)坐標(biāo)，x軸代表人體左右方向的加速度變化，y軸代表人體前后方向的加速度變化，z軸代表人體豎直方向的加速度變化。行走時(shí)，z軸有周期性的變化，通過動(dòng)態(tài)閾值決策算法能檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的單步周期，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。該傳感器還設(shè)置有信號(hào)處理單元和無(wú)線傳輸單元，憑借外部終端設(shè)備如帶藍(lán)牙功能的智能手機(jī)或平板電腦，可快速方便地讀出步行數(shù)。

二、設(shè)計(jì)結(jié)果

具體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

鞋底內(nèi)設(shè)有凹槽，鞋墊置于凹槽上方，鞋墊下端的對(duì)應(yīng)位置設(shè)有磁鐵，對(duì)應(yīng)磁鐵的位置固定有感應(yīng)線圈，形成磁鐵與感應(yīng)線圈的配合，組成發(fā)電裝置。行走時(shí)，磁鐵上下做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流經(jīng)過整流器將電能儲(chǔ)存于電容中，電容可給蓄電池充電，蓄電池則給發(fā)熱裝置和計(jì)步傳感器供電。其中，第二開關(guān)控制是否給發(fā)熱裝置供電，而計(jì)步傳感器設(shè)置于鞋面外部棉布縫制的口袋內(nèi)，第一開關(guān)控制是否為其供電。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

1.通過電磁感應(yīng)發(fā)電，無(wú)需外接電源，節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.鞋內(nèi)的彈性件不僅緩沖保護(hù)鞋內(nèi)裝置，還具有按摩保健功能。所使用的碳纖維發(fā)熱片電熱轉(zhuǎn)換效率高，連接處均通過密封膠密封，可在雨雪天使用。采用的可充電式藍(lán)牙計(jì)步傳感器能準(zhǔn)確記錄步數(shù)，有效減少非行走狀態(tài)下所帶來(lái)的誤差。

3.本設(shè)計(jì)有兩個(gè)開關(guān)，可手動(dòng)控制。第一開關(guān)控制是否給計(jì)步傳感器供電，第二開關(guān)控制是否給發(fā)熱裝置供電。在非行走狀態(tài)下，打開第二開關(guān)可將行走時(shí)所儲(chǔ)存的電能供給發(fā)熱裝置從而使鞋內(nèi)升溫。