一種能發(fā)電儲能的多用途自動收縮跳繩的設(shè)計

白宜琳

（西南大學(xué)附屬中學(xué)校，重慶，400700）

0 引言

跳繩是一項(xiàng)極佳的健體運(yùn)動，能有效訓(xùn)練個人的反應(yīng)和耐力，有助于保持個人體態(tài)健美和協(xié)調(diào)性，從而達(dá)到強(qiáng)身健體的目的[1]。跳繩運(yùn)動的配備簡單，大多數(shù)人用得是普通的跳繩。用完的繩子不好收拾，下次使用，繩子卻打結(jié)纏繞在一起。為解決繩索自動收縮的問題，同時充分利用繩索轉(zhuǎn)動的能量發(fā)電，本文設(shè)計了一種能發(fā)電儲能的多用途自動收縮跳繩。設(shè)計的新型跳繩利用電機(jī)將繩索自動收回，解決了繩索不好收拾且易纏繞的問題；繩索通過軸與永磁電機(jī)相聯(lián)接，繩索轉(zhuǎn)動時驅(qū)動該電機(jī)發(fā)電，反過來給該電機(jī)供電，就作為繩索回收的驅(qū)動電機(jī)；利用自身產(chǎn)生并儲存的電能，可實(shí)現(xiàn)電筒發(fā)光、手機(jī)充電、報警等多種用途。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的新型多功能跳繩的總體設(shè)計分為四大模塊，包括：繩索自動收縮模塊、發(fā)電儲能模塊、卷繩驅(qū)動模塊以及多功能模塊。在第四部分多功能模塊中包含有：充電電路設(shè)計、報警電路設(shè)計、照明電路設(shè)計和電機(jī)切換電路設(shè)計。

圖1 手柄結(jié)構(gòu)簡圖和主要部件

本文設(shè)計的能發(fā)電儲能的多用途自動收縮跳繩包括兩個手柄和一根繩索，兩個手柄的基本結(jié)構(gòu)相似，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。手柄內(nèi)包括微型發(fā)電及驅(qū)動一體的電機(jī)、繩索收縮纏繞部件、LED燈泡、USB充電接口、充放電轉(zhuǎn)換電路、報警按鈕及電路等部件。

總體思路：繩索安裝在與微型永磁電機(jī)軸固定連接的滾筒上。手柄內(nèi)安裝有蓄電池、轉(zhuǎn)換電路和喇叭、USB充電口、LED燈等元器件。手柄外殼上還有滑套和滾筒上凸緣，作為繩索收回時的纏繞導(dǎo)向裝置。跳繩時，向下收回滑套，揮動繩索驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒帶動永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能通過蓄電池存儲起來。跳繩結(jié)束需要回收繩索時，向外推出滑套，按動開關(guān)使電機(jī)通電，電機(jī)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，在滑套的導(dǎo)引下滾筒旋轉(zhuǎn)是繩索纏繞在滾筒上，實(shí)現(xiàn)繩索的自動收回。蓄電池積蓄的電能向LED燈泡、USB充電接口、報警蜂鳴器等通電即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的照明、手機(jī)充電、報警等功能。

2 繩索自動收縮系統(tǒng)設(shè)計

能發(fā)電儲能的多用途自動收縮跳繩內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圓柱形手柄上下兩半殼體組成，殼體內(nèi)部有支架用于安裝電機(jī)、蓄電池、電路等器件；手柄頂部有滑槽安裝滑套，滑套套在手柄上部，并由波珠螺絲限制位置。

在繩柄端部安裝一個永磁有刷電機(jī)（帶減速器），在電機(jī)的輸出軸上安裝一個滾筒，滾筒兩端為圓形的凸緣，中間為細(xì)長的軸，用于纏繞跳繩；滾筒的下端凸緣直徑較小，上端凸緣較大。在繩柄上安裝一個可以上下移動的滑套，該滑套的軸線方向加工一個比較窄的槽形孔。

圖2 手柄內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在需要收集跳繩時，將滑套上移一段距離和滾筒的上端凸緣配合形成一個空腔。將跳繩一端固定在滾筒的底部，當(dāng)跳繩結(jié)束，按跳繩收集鍵，電機(jī)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，將跳繩從滑套的槽形孔拉入滑套與滾筒的上端凸緣配合形成的空腔中，并纏繞在滾筒上，從而將繩索收回到空腔中。滑套移動到上端位置時，電機(jī)的電源線直接接入電池的正負(fù)極，跳繩收集鍵顯露出來，按動跳繩收集鍵時，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動并收集跳繩?；滓苿拥较露宋恢脮r，電機(jī)的電源線接入開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入端，跳繩時電機(jī)被繩索反拖旋轉(zhuǎn)發(fā)電，輸出的電壓經(jīng)穩(wěn)壓后向蓄電池充電。

3 發(fā)電儲能電路設(shè)計

永磁有刷直流減速電機(jī)在發(fā)電過程中正反轉(zhuǎn)時，電機(jī)的輸出電壓的正負(fù)是不一樣的[2]，而輸入到開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的電壓的正負(fù)極是不變的。因此，需要在電機(jī)和開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊之間增加換向元件模塊，使輸入到開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的電壓的極性不變。比較經(jīng)濟(jì)的換向元件模塊是整流橋，可滿足電機(jī)正反轉(zhuǎn)時，將輸入到開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的電壓極性不變[3]。

圖3 Canton-Power升降壓模塊

圖4 發(fā)電儲能電路

在跳繩速度為0～150次/min時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0～150r/min時，輸出電壓在0～4.6V，而采用的鋰電池的充電電壓是4.2V，因此，在輸出電壓低于4.2V，需要將電壓升至4.2V；當(dāng)輸出電壓高于4.2V時，需要將電壓降至4.2V。如圖3 是Canton-Power生產(chǎn)的升降壓模塊能滿足該功能，該模塊可實(shí)現(xiàn)將0.9～5V的電壓轉(zhuǎn)為4.2V的電壓，并且尺寸為32×16×5.8mm，適合在跳繩手柄中安裝，因此，選用該模塊作為升降壓模塊。

因此，發(fā)電儲能電路需要整流橋和升降壓模塊，該部分電路如圖4所示。

4 卷繩驅(qū)動電路設(shè)計

使用的永磁有刷直流減速電機(jī)工作電壓為0.6～5V，使用的鋰電池滿電壓為4.2V，因此，在需要電機(jī)拖動卷筒收集跳繩時，可將電機(jī)與鋰電池直接接通。為操作方便可，在回路中接一個點(diǎn)動開關(guān)，在需要卷繩時，按下點(diǎn)動開關(guān)，電機(jī)就可工作。

圖5 卷繩驅(qū)動電路

但當(dāng)電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)，鋰電池和電機(jī)長時間的大電流工作，會燒壞電池或電機(jī)，甚至燒著跳繩手柄。因此，需要在電機(jī)和鋰電池構(gòu)成的回路中增加一個限流元件。為降低成本，限流元件選用保險管。設(shè)計的驅(qū)動電路，如圖5所示。

5 多功能電路設(shè)計

5.1 充電電路設(shè)計

初步測試使用的永磁有刷直流減速電機(jī)發(fā)現(xiàn)，在輸出軸轉(zhuǎn)速為0～120r/min時，輸出電壓在0～4.3V，不是一個穩(wěn)定的電壓，而采用恒壓充電方式時，充電電壓需要保持恒定[4]，因此，要將電機(jī)發(fā)出的電壓穩(wěn)定到電池的充電電壓。

圖6 充電電路

開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊使用電子電路調(diào)整輸出電壓，可將輸出電壓穩(wěn)定到需要的電壓值[5]。因此，可將電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓后向蓄電池充電；同時也可將跳繩手柄中的電池的電壓轉(zhuǎn)化為5V的手機(jī)充電電壓，向手機(jī)充電。每個繩柄中的電池是3.7V～4.2V，手機(jī)充電需要5V直流電源，因此，需要做一次升壓變換。Eletechsup模塊可滿足該功能，設(shè)計的電路圖，如圖6所示。

5.2 報警電路設(shè)計

蜂鳴器的工作電壓越大，其響度越大[6]，蜂鳴器的響度和工作電壓的關(guān)系如7圖所示。由此，可知要得到高響度的警報聲，需要較高的工作電壓。繩柄中的電池的電壓在3.7V～4.2V，因此，需要做一次升壓變換。Eletechsup模塊可滿足該功能，設(shè)計的電路圖，如圖8所示。

圖7 蜂鳴器聲音響度與工作電壓關(guān)系

圖8 報警升壓電路

5.3 照明電路設(shè)計

使用的大功率發(fā)光二極管的工作電壓在3.0-3.4V，電池的電壓為3.7V～4.2V，因此，需要在照明電路中加一分壓電阻，設(shè)計的電路如圖9所示。

圖9 照明電路

5.4 電機(jī)切換電路設(shè)計

發(fā)電及驅(qū)動切換電路如圖10所示。電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，電機(jī)的兩條電源線接在整流橋上；電機(jī)處于驅(qū)動狀態(tài)時，電機(jī)的兩條電源線接在鋰電池兩端，因此，需要做一個切換電路，在位置開關(guān)沒有按下時，圖中兩對觸點(diǎn)中最左邊觸點(diǎn)接通，電機(jī)與鋰離子電池構(gòu)成回路，處于驅(qū)動狀態(tài)；在位置開關(guān)按下時，圖中兩對觸點(diǎn)中最右邊觸點(diǎn)接通（常開觸點(diǎn)），電機(jī)與整流橋，升降壓模塊等構(gòu)成回路，處于發(fā)電狀態(tài)。

圖10 發(fā)電及驅(qū)動切換電路

6 總結(jié)

設(shè)計的能發(fā)電儲能的多用途自動收回跳繩具備五個功能：（1）跳繩時，利用繩子的轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，并用內(nèi)置的鋰電池將電能儲存起來，給內(nèi)置的手電筒供電或給手機(jī)充電；（2）跳繩結(jié)束，繩索在電機(jī)的驅(qū)動下主動收縮回手柄中，需要跳繩時，拉出繩索即可；（3）手柄端面布置LED燈泡，由內(nèi)置的鋰電池供電，將手柄作為手電筒使用；（4）手柄尾部有USB充電接口，連接充電線，由內(nèi)置的鋰電池給手機(jī)充電；（5）遇到危險或緊急情況時，按動手柄上的報警按鈕，內(nèi)置的喇叭可發(fā)出高分貝的報警聲。