基于人體行走的膝關(guān)節(jié)能量轉(zhuǎn)換裝置

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(shí)用的裝置方便了人們的生活。為了滿足在遠(yuǎn)離電源或處于停電狀態(tài)的特殊情況下（如偏遠(yuǎn)山區(qū)、戶外旅行和重大自然災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)）為隨身攜帶的電子設(shè)備供電。文中基于發(fā)電機(jī)與單片機(jī)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(jī)；發(fā)電裝置

中圖分類號(hào)：TK69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

近年來(lái)，人們對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備的依賴程度不斷升級(jí)，這些設(shè)備范圍從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備（如心臟起搏器、機(jī)電或神經(jīng)假肢）到消費(fèi)產(chǎn)品（如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和GPS）。在遠(yuǎn)離電源的特殊情況下，如何保證這些電子設(shè)備的正常運(yùn)行尤為重要。本文為解決這一問(wèn)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(jì)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(shí)膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，并將電能進(jìn)行存儲(chǔ)后為移動(dòng)電子設(shè)備充電。本方案在各模塊設(shè)計(jì)時(shí)，考慮盡可能減小能量損耗的問(wèn)題，此外，本文通過(guò)單片機(jī)控制電路閉合的時(shí)段來(lái)減少行走時(shí)裝置對(duì)人體的阻力。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠?yàn)樾⌒碗娮釉O(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(jī)、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(jī)與固定裝置之間，通過(guò)提高轉(zhuǎn)速比使發(fā)電機(jī)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(guò)對(duì)多種電磁式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輸出電壓測(cè)試，選定三相交流發(fā)電機(jī)作為發(fā)電源。在發(fā)電機(jī)輸出端進(jìn)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(duì)鋰電池的電壓進(jìn)行升壓操作。此外，為了減少行走時(shí)裝置對(duì)人體的阻力，電路需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)斷開，因此我們需要在發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能電源間增加一個(gè)電子開關(guān)，利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，控制條件由電位器所測(cè)數(shù)據(jù)決定。最終裝置實(shí)物圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 儲(chǔ)能裝置的選擇

超級(jí)電容和儲(chǔ)能鋰電池是常見的儲(chǔ)能設(shè)備。超級(jí)電容的使用壽命和功率密度較電池都有優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(jí)電容也不適合在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)儲(chǔ)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(chǔ)能裝置。

圖1 裝置實(shí)物圖

2.2 控制模塊的設(shè)計(jì)

考慮到MOS管的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻小，柵極驅(qū)動(dòng)無(wú)需電流，損耗小，因此，本文用MOS管作為儲(chǔ)能電源接入電路與否的控制開關(guān)。此外需要對(duì)電位器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)。

2.2.1 電子開關(guān)的設(shè)計(jì)

本文使用TS5A23157型號(hào)的MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的開閉，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TS5A23157型號(hào)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(gè)端口實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)功能，從圖2可以看出：2號(hào)端口和9號(hào)或10端口構(gòu)成一個(gè)電子開關(guān)，當(dāng)2號(hào)端口和9號(hào)端口連接時(shí)，MOS管導(dǎo)通；當(dāng)9號(hào)端口和10號(hào)端口連接時(shí)MOS管斷開。電子開關(guān)功能需受單片機(jī)控制，即在人腿屈伸的某些時(shí)間段開關(guān)閉合，給鋰電池充電，而其余的時(shí)間開關(guān)斷開，停止對(duì)鋰電池充電，這樣達(dá)到減少裝置對(duì)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(shí)單腿在一個(gè)周期內(nèi)的伸曲過(guò)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(duì)較低，而裝置對(duì)人體行走有一定的阻力，且這個(gè)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(shí)間段進(jìn)行發(fā)電，此時(shí)，電子開關(guān)閉合，其他時(shí)間段電子開關(guān)斷開。電位器通過(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判斷其處于何種階段后，將信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)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(jī)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(shí)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(jì)

本文首選LM系列穩(wěn)壓芯片對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)整流后的電壓進(jìn)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(shí)際操作過(guò)程中，此電路在發(fā)電機(jī)連續(xù)發(fā)電期間，輸出的電壓波形類似于方波，即在一個(gè)周期內(nèi)有一部分電壓值為0 V，這說(shuō)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(jìn)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(jì)

由于鋰電池的輸出電壓在3.6 V左右，而手機(jī)的充電電壓為5 V，鋰電池不能直接為手機(jī)充電。因此本文選擇首先對(duì)鋰電池的輸出電壓進(jìn)行升壓，然后利用USB接口為手機(jī)進(jìn)行充電。經(jīng)過(guò)篩選、測(cè)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(shí)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(yǔ)

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(shí)膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，并將電能進(jìn)行存儲(chǔ)后為移動(dòng)電子設(shè)備充電。本裝置可進(jìn)一步優(yōu)化，如減輕裝置質(zhì)量、提高裝置發(fā)電效率和儲(chǔ)能電源壽命等。此外，還可對(duì)裝置進(jìn)行人性化和智能化的處理，如顯示鋰電池的儲(chǔ)能百分比、控制手機(jī)的充電時(shí)間、調(diào)節(jié)充電不同階段的電流大小等。

參考文獻(xiàn)

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