帶計步功能的自發熱鞋

俗話說“寒從腳起”，如果足部保暖不當，輕則引起不適，重則被凍傷。目前市場上的保暖設備因發熱量小、持續時間短，尚未得到廣泛應用。因此我想設計一種既能讓足部保暖，又具有計步功能、儲存電能的鞋子。

一、設計原理

帶計步功能的自發熱鞋由發電儲能單元、發熱裝置、計步裝置、信號處理單元和無線傳輸單元組成，如圖1。

發電儲能單元根據電磁感應原理發電并存儲至蓄電池中，蓄電池再向發熱裝置和計步裝置供電。計步裝置使用可充電式藍牙計步傳感器，其設置有信號處理單元和無線傳輸單元，通過藍牙與外部終端設備如智能手機交互數據。

1.發電方式的選擇

采用磁鐵-線圈做切割磁感線運動發電。根據電磁感應原理，當回路的磁通量發生變化時，回路中會產生感應電動勢。感應電動勢E的大小與磁通量變化的快慢有關。線圈電阻R已知，則感應電動勢E=NΔφ/Δt （1）。式中，N為線圈的匝數，Δφ為磁通量的變化，Δt 為變化時間。

線圈中的感應電流I = E/R （2）。 由圖2可知，人體行走使磁鐵向下運動，回路內的磁通量發生變化，產生感應電動勢。改變線圈的匝數便于實現且調節感應電動勢，易滿足要求。

接著我進行了發電量初計算。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，為保證發電量計算的可靠性，取小值50kg。

人體行走的特點是前腳跟著地時，后腳掌還在地上，只有一只腳著地時，腳跟與腳掌同時承載著人體重量。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%的能量轉化為電能，彈簧復位，線圈再一次感應發電，共產生兩次感應電流。

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，則發電功率約為5W。

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

2.電路分析

整流電路的輸出可通過電容進行濾波。在輸入正弦電壓的一個周期內，電容器充電兩次，放電兩次，反復循環。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。

電池采用類似手機鋰電池的設計。對比手機電池，在鞋子條件受限的情況下，該種電池設計容量能達到500mAh，且計步器的耗電遠小于手機，能滿足使用需求。

令該電池額定電壓U為5V，發熱功率為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。

若電池技術提高，其供電性能還會改善許多。

3.發熱裝置的選擇

目前實現對鞋子加熱的發熱裝置有USB發熱片、硅膠發熱片、云母發熱片等，本設計采用的發熱裝置為碳纖維發熱片。它轉換率高，具有良好的導熱性能，導熱系數最高有700W/（m·k），約是銅的1.6倍、鋁的2.7倍，用它作為發熱裝置具有升溫迅速等優點。此外，碳纖維發熱片也是電性絕緣體，可防止漏電。

4.計步功能

為實現計步功能，設計采用可充電式藍牙計步傳感器，該傳感器內設有三個坐標，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，z軸有周期性的變化，通過動態閾值決策算法能檢測出運動的單步周期，從而實現計步功能。該傳感器還設置有信號處理單元和無線傳輸單元，憑借外部終端設備如帶藍牙功能的智能手機或平板電腦，可快速方便地讀出步行數。

二、設計結果

具體設計方案如圖3所示。

鞋底內設有凹槽，鞋墊置于凹槽上方，鞋墊下端的對應位置設有磁鐵，對應磁鐵的位置固定有感應線圈，形成磁鐵與感應線圈的配合，組成發電裝置。行走時，磁鐵上下做切割磁感線運動產生感應電流，電流經過整流器將電能儲存于電容中，電容可給蓄電池充電，蓄電池則給發熱裝置和計步傳感器供電。其中，第二開關控制是否給發熱裝置供電，而計步傳感器設置于鞋面外部棉布縫制的口袋內，第一開關控制是否為其供電。

三、創新點

1.通過電磁感應發電，無需外接電源，節能環保，結構簡單。

2.鞋內的彈性件不僅緩沖保護鞋內裝置，還具有按摩保健功能。所使用的碳纖維發熱片電熱轉換效率高，連接處均通過密封膠密封，可在雨雪天使用。采用的可充電式藍牙計步傳感器能準確記錄步數，有效減少非行走狀態下所帶來的誤差。

3.本設計有兩個開關，可手動控制。第一開關控制是否給計步傳感器供電，第二開關控制是否給發熱裝置供電。在非行走狀態下，打開第二開關可將行走時所儲存的電能供給發熱裝置從而使鞋內升溫。