可穿戴式能量采集系統設計-電磁感應式收集

張偉偉　張莎

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

【關鍵詞】綠色;人體機械能;電磁感應;可移動電子設備

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

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.046

0 引言

隨著可移動電子設備的出現以及數量的劇增進一步加大了能源和環境問題，同時很多器件的供電問題成為了它們發展的一個很大阻礙。目前這些靠電池、電力線解決供電問題，但前者供電時間短，后者花費大且再某些環境中無法利用。所以科學界在尋找一種可代替電池、能自我維護的新型電源。本文設計的可穿戴式電磁感應能量采集系統可以把人體運動產生的機械能轉變成電能，為可移動電子設備提供大量電源，給人們生活帶來便捷。

1 可穿戴電磁感應式能量采集系統的工作原理

本文利用電磁感應定律對能量采集設備進行結構類型設計，利用一些發電和轉換裝置將人體的機械能轉換成電能，并給隨身攜的電子產品進行充電。

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

2 系統硬件電路設計

2.1 總體電路

本文設計的可穿戴式電磁感應能量采集系統的電路有四大模塊：發電電路、整流電路、降壓電路、充電電路，見圖1。

利用手搖發電機作為發電電路，將整流電路部分設計為橋式整流電路，將發電電路部分產生的電流，通過整流電路整流后，經過兩根導線，完成對電池的充電。

本文設計的穿戴式設備能量采集系統-電磁感應式收集的整體電路圖如圖2所示。

2.2 發電電路設計

本設計中選用手搖式發電機作為發電模塊，如圖3。

手搖式的發電機是一種直流發電機，由線圈和搖桿組成，其工作原理遵循電磁感應定律。線圈這種一圈一圈的纏繞方式可以節省絕緣導線材料，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構是否牢固，線圈纏繞式一定要繞緊不可以有松動現象，線圈安裝的時候將線圈安裝在整個裝置易于調節的地方，在實驗調試的時候可以更方便的調整線圈中的電感量，使得實驗更加的輕松，節省了更多的時間。通過多次的實驗，得到發電機工作特性是正傳反接、反接正傳。另外，經過對鉸鏈四桿機構進行的研究，并對曲柄搖桿機構的設計運用到三角函數中的余弦定理、mat lab等進行公式的計算，得出裝置中搖桿擺動的合理的角度為8°。通過人力旋轉發電機上的搖桿，帶動線圈切割磁感線，產生電動勢。通過萬用表對此發電機發出的電進行測量，當轉速為43r/min，電壓基本穩定在7v左右，無論正傳與反轉通過整流電路都可以使得整個電路保持通路，符合本文對發電電壓值的要求。在發電機的輸出端引出兩根導線，再接到電路中，就可以充當電源，給設備供電。

2.3 整流電路設計

本設計中因為直流電機正傳與反轉發出的電壓正好相反，為了轉動發電機時不再浪費時間更改線路，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行比較后，得到橋式整流電路的整流元件更耐壓，重復使用性高，適用范圍更加廣泛，價格優廉，更加節能和高效。因此本設計選用橋式整流方法。

橋式整流電路得到的是直流脈動性電壓，因為橋臂在一個周期內輪流導通，保證在輸入電壓的負半周負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，當輸入電壓為正向電壓，此時電流經過二極管VD1，然后經過電阻RL，最后流經VD3二極管形成一個完整的回路;當輸入電壓為反向電壓，此時下端電壓為正，上端為負，電流經過二極管VD2，到達電阻RL，最后經過VD4二極管形成一個完整的回路。每組兩個二極管呈串聯結構，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連一個二極管D1、電容C1和C2組成，連接在發電機的輸出端。其中，D1的作用是防止電流倒流，C1和C2是濾波電容。

2.4 降壓電路設計

本設計中使用的發電機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，所以需要對發電機的輸出電壓進行降壓處理。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，近一步實現本設計的充電要求，保護整體電路。本設計選用AMS1117變壓器，它是一個正向低壓降穩壓器，有質量輕、體積小、效率高等優點。

2.5 充電電路設計

如圖2所示，本文設計的充電電路是在整流電路之后連接一個二極管D2，對電壓再次進行整流，并且釋放易對電路產生損壞的逆向電流。當D2正向導通時，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 結論

本設計運用了電磁感應原理將人體機械能轉化為電能，采用了發電-整流-降壓-充電電路來實現系統設計要求。通過對轉速的測試，得到搖桿的轉速為43r/min電壓基本穩定在7v，無論正傳與反轉通過整流電路都可以使得整個電路保持通路，在經過AMS1117-5v降壓芯片電路，將電壓降至穩定的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。本系統受人體自身主觀控制，只要有運動就能產生能量，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。

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