張偉偉　張莎

【摘 要】本文利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種可穿戴式人體機(jī)械能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一個簡易的手搖式設(shè)備使得線圈切割磁感線產(chǎn)生電能，最終將綠色的人體機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，完成對鋰電池的充電功能，可以為可移動電子設(shè)備提供電源。

【關(guān)鍵詞】綠色;人體機(jī)械能;電磁感應(yīng);可移動電子設(shè)備

中圖分類號： TM912文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0110-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.046

0 引言

隨著可移動電子設(shè)備的出現(xiàn)以及數(shù)量的劇增進(jìn)一步加大了能源和環(huán)境問題，同時很多器件的供電問題成為了它們發(fā)展的一個很大阻礙。目前這些靠電池、電力線解決供電問題，但前者供電時間短，后者花費(fèi)大且再某些環(huán)境中無法利用。所以科學(xué)界在尋找一種可代替電池、能自我維護(hù)的新型電源。本文設(shè)計(jì)的可穿戴式電磁感應(yīng)能量采集系統(tǒng)可以把人體運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，為可移動電子設(shè)備提供大量電源，給人們生活帶來便捷。

1 可穿戴電磁感應(yīng)式能量采集系統(tǒng)的工作原理

本文利用電磁感應(yīng)定律對能量采集設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)，利用一些發(fā)電和轉(zhuǎn)換裝置將人體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，并給隨身攜的電子產(chǎn)品進(jìn)行充電。

法拉第電磁感應(yīng)定律：若穿過閉合回路（一般是線圈）的磁通量發(fā)生變化，則回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢對應(yīng)于等式（1）所示。感應(yīng)電動勢的大小與磁通的變化速度成正比，并且感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的方向相反。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體電路

本文設(shè)計(jì)的可穿戴式電磁感應(yīng)能量采集系統(tǒng)的電路有四大模塊：發(fā)電電路、整流電路、降壓電路、充電電路，見圖1。

利用手搖發(fā)電機(jī)作為發(fā)電電路，將整流電路部分設(shè)計(jì)為橋式整流電路，將發(fā)電電路部分產(chǎn)生的電流，通過整流電路整流后，經(jīng)過兩根導(dǎo)線，完成對電池的充電。

本文設(shè)計(jì)的穿戴式設(shè)備能量采集系統(tǒng)-電磁感應(yīng)式收集的整體電路圖如圖2所示。

2.2 發(fā)電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用手搖式發(fā)電機(jī)作為發(fā)電模塊，如圖3。

手搖式的發(fā)電機(jī)是一種直流發(fā)電機(jī)，由線圈和搖桿組成，其工作原理遵循電磁感應(yīng)定律。線圈這種一圈一圈的纏繞方式可以節(jié)省絕緣導(dǎo)線材料，而且密度大電感量隨之增大。在安裝線圈之前一定要檢查線圈的結(jié)構(gòu)是否牢固，線圈纏繞式一定要繞緊不可以有松動現(xiàn)象，線圈安裝的時候?qū)⒕€圈安裝在整個裝置易于調(diào)節(jié)的地方，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試的時候可以更方便的調(diào)整線圈中的電感量，使得實(shí)驗(yàn)更加的輕松，節(jié)省了更多的時間。通過多次的實(shí)驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)工作特性是正傳反接、反接正傳。另外，經(jīng)過對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行的研究，并對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)運(yùn)用到三角函數(shù)中的余弦定理、mat lab等進(jìn)行公式的計(jì)算，得出裝置中搖桿擺動的合理的角度為8°。通過人力旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)上的搖桿，帶動線圈切割磁感線，產(chǎn)生電動勢。通過萬用表對此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電進(jìn)行測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速為43r/min，電壓基本穩(wěn)定在7v左右，無論正傳與反轉(zhuǎn)通過整流電路都可以使得整個電路保持通路，符合本文對發(fā)電電壓值的要求。在發(fā)電機(jī)的輸出端引出兩根導(dǎo)線，再接到電路中，就可以充當(dāng)電源，給設(shè)備供電。

2.3 整流電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中因?yàn)橹绷麟姍C(jī)正傳與反轉(zhuǎn)發(fā)出的電壓正好相反，為了轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)時不再浪費(fèi)時間更改線路，所以使用整流電路，起到方向固定的作用，無論正傳或反轉(zhuǎn)均可使電路中通正向電壓，保持電路的通路，還可將電路中可能存在的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

對半波、全波、橋式三種整流電路輸出的單向脈動性直流電特性進(jìn)行比較后，得到橋式整流電路的整流元件更耐壓，重復(fù)使用性高，適用范圍更加廣泛，價格優(yōu)廉，更加節(jié)能和高效。因此本設(shè)計(jì)選用橋式整流方法。

橋式整流電路得到的是直流脈動性電壓，因?yàn)闃虮墼谝粋€周期內(nèi)輪流導(dǎo)通，保證在輸入電壓的負(fù)半周負(fù)載端的電壓極性也能保持不變，對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。下圖4所示為橋式整流電路。橋式整流電路需要用到四只二極管，當(dāng)輸入電壓為正向電壓，此時電流經(jīng)過二極管VD1，然后經(jīng)過電阻RL，最后流經(jīng)VD3二極管形成一個完整的回路;當(dāng)輸入電壓為反向電壓，此時下端電壓為正，上端為負(fù)，電流經(jīng)過二極管VD2，到達(dá)電阻RL，最后經(jīng)過VD4二極管形成一個完整的回路。每組兩個二極管呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，共同承受反向峰值電壓，因而使電路中每只二極管承受的反向電壓比全波整流電路小一半。

如圖2，整流電路由橋式整流電路并聯(lián)連一個二極管D1、電容C1和C2組成，連接在發(fā)電機(jī)的輸出端。其中，D1的作用是防止電流倒流，C1和C2是濾波電容。

2.4 降壓電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的發(fā)電機(jī)在工作時的輸出電壓為7v，而市面上一般鋰電池的電壓為3.7v，充電限制電壓為4.2v，所以需要對發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行降壓處理。在整流電路與充電裝置之間安裝一個降壓變壓器，將電壓降為5v，近一步實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的充電要求，保護(hù)整體電路。本設(shè)計(jì)選用AMS1117變壓器，它是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，有質(zhì)量輕、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 充電電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的充電電路是在整流電路之后連接一個二極管D2，對電壓再次進(jìn)行整流，并且釋放易對電路產(chǎn)生損壞的逆向電流。當(dāng)D2正向?qū)〞r，其輸入輸出兩端的電壓差值為0.5v-0.7v。因此，可將輸入電池的電壓降為4.3v。另外，增加的二極管使得電路更加的安全，使用期限更長。給鋰電池兩端并聯(lián)了一個電阻和一個LED燈再接入上面電路，用來防止斷路時電路被損壞。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)運(yùn)用了電磁感應(yīng)原理將人體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，采用了發(fā)電-整流-降壓-充電電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過對轉(zhuǎn)速的測試，得到搖桿的轉(zhuǎn)速為43r/min電壓基本穩(wěn)定在7v，無論正傳與反轉(zhuǎn)通過整流電路都可以使得整個電路保持通路，在經(jīng)過AMS1117-5v降壓芯片電路，將電壓降至穩(wěn)定的5v，利用二極管的管壓降作用（降幅為0.5v-0.7v），將電壓降至4.3v，正好可以完成對鋰電池的充電作用。本系統(tǒng)受人體自身主觀控制，只要有運(yùn)動就能產(chǎn)生能量，脫離了電源線和充電器的限制，體型小，受限少，可隨意移動，可作為隨身攜帶的電能，非常適合人們的使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄧超玉.便攜式按摩器[J].發(fā)明與創(chuàng)新（中學(xué)生），2017（08）：19.

[2]施建喆.電磁感應(yīng)與無線充電[J].科技風(fēng)，2016（21）：125.

[3]黃敏.基于電磁感應(yīng)的車載無線充電系統(tǒng)[D].華東理工大學(xué)，2016.

[4]赫高峰.運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)重構(gòu)及檢索關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].華僑大學(xué)，2016.