陳諾凡

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基于混合自動(dòng)充電技術(shù)的智能定位鞋探究

陳諾凡

福州第二中學(xué)

針對目前智能定位鞋存在的持續(xù)供電時(shí)間有限、隱蔽性不強(qiáng)等缺陷，為解決對“走失”人員無間斷、持續(xù)的安全跟蹤，該文就智能定位鞋的混合自充電功能進(jìn)行了探究?；旌献詣?dòng)充電系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，即通過人走動(dòng)對鞋后跟的壓力把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)，并在鞋跟兩側(cè)安裝太陽能光膜把光能轉(zhuǎn)換成電能。

混合充電 法拉第定律 穩(wěn)壓限流 智能定位

隨著科技發(fā)展的日新月異，定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了成熟階段，市面上也有許多可供選擇的定位模塊，與通訊技術(shù)相結(jié)合，從定位功能上看并不困難，真正的難度是如何實(shí)現(xiàn)長效續(xù)航。經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)有各類產(chǎn)品的省電模式主要有三種，即開啟省電方案盡可能節(jié)源、加大電池容量、閃充。智能定位鞋的主要用途是防丟，要實(shí)現(xiàn)對老人、孩子和出門在外時(shí)間長的人能實(shí)現(xiàn)持續(xù)定位跟蹤，最理想的方案是在不外接電源的情況下實(shí)現(xiàn)自充電。利用身邊的資源實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，很容易想到利用太陽能光板。經(jīng)研究分析，一種柔性的太陽能光膜比較適合安裝于鞋跟兩側(cè)。但在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，光伏的輸出電壓受光強(qiáng)影響，輸出電壓差值大，如若在陰雨天，則無法有效充電，還需要另一種自充電方式進(jìn)行補(bǔ)充。于是，筆者聯(lián)想到小時(shí)候的玩具——按壓式手電筒、手搖式電風(fēng)扇（見圖1），這兩者都可以通過手動(dòng)的方式進(jìn)行發(fā)電，實(shí)際上就是機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的原理，當(dāng)然要改變機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式。

圖1 手動(dòng)發(fā)電參考

1 混合動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)充電電路由兩部分構(gòu)成：第一部分是通過人體走動(dòng)對鞋后跟的踩壓，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，第二部分在鞋幫兩側(cè)加上太陽能光膜的設(shè)計(jì)，把光能轉(zhuǎn)換成太陽能，達(dá)到自動(dòng)獲取電能、持續(xù)使用的效果。

智能定位鞋的整體結(jié)構(gòu)可選擇放置左/右腳，兩只腳結(jié)構(gòu)略有不同，可以實(shí)現(xiàn)一邊模塊使用、另外一邊備用的功能，必要時(shí)左右腳定位模塊可以互換，具體結(jié)構(gòu)框圖見圖2～圖3。

圖2 定位鞋左腳結(jié)構(gòu)框圖

1.1 機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊

1.1.1機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊原理

本模塊通過運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)原理，讓棘輪機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單一方向的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，讓線圈和磁場發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，線圈中的磁通量發(fā)生變化，磁通量變化是電磁感應(yīng)的根本原因，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。因此，當(dāng)環(huán)形線圈中的磁通量變化時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢公式可以得出，產(chǎn)生的電壓與磁通量變化成正比，與頻率成正比，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場變化的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢越大，具體電磁感應(yīng)原理見圖4。

圖4 電磁感應(yīng)發(fā)電原理圖

1.1.2機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊結(jié)構(gòu)

本模塊內(nèi)部包含磁條一個(gè)、齒輪一只、回復(fù)彈簧一只、嚙合機(jī)構(gòu)一組、發(fā)電線圈、磁鐵一對，以及一只儲(chǔ)能電池。主要利用了棘輪機(jī)構(gòu)的特征以及配套電路設(shè)計(jì)。本模塊中的棘輪機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)擺桿、棘爪、棘輪、止回棘爪和機(jī)架組成。棘輪機(jī)構(gòu)的條件與一個(gè)固定的從動(dòng)軸相連，并和結(jié)構(gòu)中的棘爪部分相連接。當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)按壓的時(shí)候，機(jī)構(gòu)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)棘爪在棘輪的齒背上滑動(dòng)。當(dāng)整個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，止回棘爪阻止棘輪機(jī)構(gòu)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，這時(shí)棘輪靜止不動(dòng)。因此，當(dāng)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)作連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪作單向的間歇運(yùn)動(dòng)。

圖5 棘輪機(jī)構(gòu)原理圖

棘輪機(jī)構(gòu)與齒輪結(jié)構(gòu)相同，根據(jù)公式=，利用模數(shù)作為齒輪有關(guān)尺寸選擇的基本參數(shù)，而棘輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)的確定主要參照頂圓直徑這一參數(shù)，另一個(gè)重要參數(shù)一般由棘輪機(jī)構(gòu)的使用條件和運(yùn)動(dòng)要求選定。參數(shù)的選擇是由機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)給和分度為依據(jù)，可以根據(jù)棘輪最小轉(zhuǎn)角，一般取= 8~16，然后選定模數(shù)。在該系統(tǒng)中，棘輪設(shè)計(jì)齒數(shù)=12，機(jī)構(gòu)的模數(shù)選取=2，測算出整個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)的頂圓直徑為=24mm，根據(jù)定位鞋的實(shí)際安裝尺寸，適當(dāng)調(diào)整棘輪尺寸參數(shù)。

1.1.3機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊制作

整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由棘輪、傳動(dòng)軸、腳踩柄等部分構(gòu)成，棘輪安裝在鞋跟底部位置，傳動(dòng)軸的固定由3D打印出的柱子來完成。軸是支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。軸的設(shè)計(jì)要考慮軸的功能使用要求、材料、軸的制造工藝、價(jià)格、尺寸等方面的要求，所設(shè)計(jì)的軸是用來支撐棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)的。軸的材料選擇 45號鋼，在制造工藝方面可以選擇正火處理或調(diào)質(zhì)處理，正火處理是將鋼材或鋼件加熱到Ac3或Ac3以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體組織的熱處理工藝，其目的在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化。調(diào)質(zhì)處理是鋼材在淬火后加高溫回火，目的是使調(diào)質(zhì)后的零件具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。但由于45號鋼正火處理價(jià)格更便宜，且也能滿足軸的功能使用要求，所以選擇正火處理。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能的關(guān)鍵部分，該部分運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)原理，通過棘輪機(jī)構(gòu)單向旋轉(zhuǎn)，使線圈與磁鐵產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，達(dá)到給GPS模塊供電以及充電的目的。

圖6 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)圖

圖7 機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊輸出波形圖

1.2 太陽能轉(zhuǎn)電能模塊

1.2.1太陽能轉(zhuǎn)電能模塊原理

太陽能轉(zhuǎn)電能主要應(yīng)用的原理是光伏效應(yīng)，它的發(fā)電方式有兩種，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式，本文選擇的是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。太陽能電池是一個(gè)對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)。當(dāng)光線照射太陽能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

1.2.2太陽能轉(zhuǎn)電能模塊設(shè)計(jì)與制作

考慮到目前市面上的5V太陽能充電面板體積較大，無法滿足安裝需求，故采用3片1.5V光伏板串聯(lián)的方式提升電壓。同時(shí)為了防止弱光環(huán)境下光伏板電壓過低，出現(xiàn)逆流，在光伏板的輸出部分串接了一個(gè)肖特基二極管，利用其單向?qū)ǖ脑碇浦鼓媪?。便攜式太陽能備用電源以太陽能為轉(zhuǎn)換來源，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，將電能通過鋰電池進(jìn)行存儲(chǔ)，以達(dá)到智能定位鞋戶外供電的目的。本設(shè)計(jì)采用了3塊太陽能軟板來完成電壓供給，輸出電壓為0～6V之間，輸出電流為350mA左右。太陽能軟板并聯(lián)安裝在鞋跟的兩側(cè)，外面嵌入透明塑料達(dá)到防水的目的，這種設(shè)計(jì)很好地滿足了智能定位鞋供電需求。

圖9 單片板有光下的電壓測試

圖10 鞋跟邊緣軟板的安裝

2 充電電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

串聯(lián)得到的光伏電源，在強(qiáng)光條件下峰值電壓可能突破6V，而由踩壓式發(fā)電得到的電壓也不穩(wěn)定，需對電源信號進(jìn)行穩(wěn)壓處理。傳統(tǒng)穩(wěn)壓方案通常選擇并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的方法，此方法的穩(wěn)壓值易受溫度影響。新型穩(wěn)壓方案是使用管理芯片代替單一的穩(wěn)壓管降壓，只需與簡單的外部元件相配合，就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，工作穩(wěn)定，體積小，抗干擾能力強(qiáng)。經(jīng)過對同類元件的反復(fù)比較，最終選定使用TD1410降壓芯片來實(shí)現(xiàn)降壓功能，該芯片可將6～15V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓穩(wěn)定輸出，降壓電路見圖10。

2.2電源限流模塊設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓模塊保障了5V穩(wěn)定電壓的輸出，電流最大可達(dá)2A。而定位模塊的充電需求只有500mA，長期過流容易損毀元件，因而需接入限流環(huán)節(jié)。BQ24202采用八腳MSOP封裝，是一種常用于鋰電子電池或鋰聚合物電池的充電器，正好能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。穩(wěn)壓模塊與降壓模塊相配合，給充電過程加上了雙重保護(hù)。

圖12 電源限流電路圖

2.3 電壓檢測模塊設(shè)計(jì)

智能定位鞋電源模塊電壓檢測應(yīng)用了TL431這塊芯片，它是一款可控的精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意設(shè)置從Verf(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值，其內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，當(dāng)輸入電壓增大，輸出電壓增大導(dǎo)致了輸出采樣增大，這時(shí)內(nèi)部電路通過調(diào)整使得流過自身的電流增大，這也就使得流過限流電阻的電流增大，這樣限流電阻的壓降增大，而輸出電壓等于輸入電壓減去限流電阻壓降，輸入電壓增大與限流電阻壓降增大使得輸出電壓減小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。電源模塊電壓檢測電路見圖13。

由圖13可知，用IC內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓監(jiān)視蓄電池電壓的高低。假設(shè)現(xiàn)蓄電池正在充電，也就是9013導(dǎo)通，繼電器K吸合；當(dāng)蓄電池電壓上升至5V時(shí)，A點(diǎn)電位升至2.5V，TL431導(dǎo)通，B點(diǎn)電位降至0.2V，9013截止，繼電器K1-1斷開充電電源，充電結(jié)束。同時(shí)，C點(diǎn)電位上升牽動(dòng)A點(diǎn)電位也上升，進(jìn)一步鎖定TL431在導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)蓄電池使用至3.9V時(shí)，A點(diǎn)電位小于2.5V，TL431截止，B點(diǎn)電位上升，使9013導(dǎo)通，繼電器K吸合，接通5V電源，新一輪充電又開始。當(dāng)蓄電池電壓上升至5V后，又停止充電，如此反復(fù)循環(huán)。出于縮小體積的考慮，上圖中的繼電器K也可換成貼片式光耦繼電器。

圖13 智能檢壓電路圖

3 智能定位鞋模型的設(shè)計(jì)與制作

3.1 定位鞋模型的建模

智能定位鞋的制作主要分為建模和打印兩個(gè)部分。定位鞋的鞋跟部分建模利用了SolidWorks軟件，該款軟件使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及與第三方軟件集成的技術(shù)，是一款適用性很強(qiáng)的軟件。在建模時(shí)，充分考慮到了機(jī)械能轉(zhuǎn)電能模塊的安裝位置，以及太陽能轉(zhuǎn)電能模塊的安裝位置，同時(shí)把GPS模塊的固定位置設(shè)計(jì)成活動(dòng)式，以方便模塊的維護(hù)。

鞋模的打印采用了市面上主流的3D打印技術(shù)，3D打印屬于快速成型技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。本設(shè)計(jì)利用光固化打印機(jī)進(jìn)行打印，將SolidWorks相應(yīng)形狀與規(guī)格的鞋底模型轉(zhuǎn)成STL文件后，導(dǎo)入打印機(jī)控制軟件UP！中進(jìn)行打印層高、填充密度等相關(guān)設(shè)置。層高越高，密度越大，打印精度就越高，相應(yīng)的打印時(shí)間就越長。

圖14 智能定位鞋鞋跟建模

圖15 模型鞋跟3D打印

3.2 定位模塊的安裝與調(diào)試

定位模塊使用MTK芯片，核心STM貼片技術(shù)以及高精度PVB板，體積小、外殼強(qiáng)度高，功能齊全。

圖16 微信調(diào)試圖

圖17 短信以及客戶端調(diào)試

[1] 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社, 2006.

[2] 國家教育部. 中小學(xué)理科教學(xué)儀器和電教器材配備目錄[Z].