基于壓力發電的人行橫道設計

王興偉 關 勇 姜 姍

（天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津300222）

近年來隨著日新月異的社會不斷提高, 環保、綠色的能源逐漸地進入人們的視野中。在不可再生能源的每況愈下的環境中,促使了新能源倍道兼行的產生。身處于這樣的環境下，不斷的探索新能源是這個時代每一個人的使命, 壓力發電就是在這樣的大環境下,不斷的發展中得到了萬眾矚目。壓力發電人行橫道主要是將行人每一步的行走產生的壓力能轉化成可以被重新利用的電能,這是在新能源中的又一個里程碑。新能源是否環保的問題已然成為了當代熱門話題，現如今新能源如雨后春筍般的涌現，壓力發電絕對的是合格的綠色的新能源的產物，在新能源的浪潮中處于舉足輕重的地位。

1 系統總體設計

為了倡導開發利用綠色能源，設計利用壓力發電的能源共享型人行橫道，采用壓力發電及齒輪傳動原理，當踩踏地面時產生輕微的向下力，向下的力帶動內部的儲能齒輪旋轉，在輪系較大傳動比的作用下，使與電機相連接的輸出軸達到更高的轉速要求，通過電磁感應將動能轉為電能儲存。所設計模塊具有可擴展性和極大的研究意義。設計包括壓力智能發電模塊、智能分配模塊、能源共享型路燈。可實現智能發電、儲存分配、能源共享等功能。系統整體結構如圖1 所示。通過與地磚相互固定的齒條帶動齒輪轉動，在輪系較大傳動比的作用下，使與發電機相連接的輸出軸達到更高的轉速產生出電能。基于32 位MCU 的硬件電路設計穩定電壓的同時產生逆變輸出交直流兩種形式電壓。將應用到有RGB 點陣組成的斑馬線上，道路兩旁的路燈，以及在路燈的基礎上改進的可以給手機、充電寶等設備充電。

圖1 結構簡圖

2 發電機設計

設計根本是一款發電儲能產品，內部包括一個發電機，設計過程中先選擇合適的發電機再來確定整體結構。產品是鋪設于地面的，主要希望通過人踩踏產生的多余能量來達到儲存電能的目的。人的踩踏是一種豎直的直線運動，而發電機的輸入端是鋼軸的回轉運動，需要一個能夠直線運動轉化成回轉運動的機械結構，因此選擇了齒輪齒條機構，再此之上添加兩組齒輪機構達到變速的目的，以提高發電機輸入。

所選用的發電機的三維建模，為了最后整體結構盡可能小而緊湊發電機采用水平放置。發電機輸入軸尺寸為φ8mm。為了體積不會過大外殼整體高度不會超出電機高度太多，且能在殼體裝上軸承來支持鋼軸，外殼厚度選用于軸承厚度相同的數值10mm。為了便于后期加工和觀察選擇了透明亞克力板作為外殼材料。鋼軸選用了于軸承內圈相同數值φ10mm。兩組齒輪為了便于計算選擇了Z1: Z2=1:2 的比例，按照發電機高度決定齒輪最大直徑后，確定模數m=1.25，Z1=24，Z2=48。齒輪組配置。為了便于固定且提高鋼軸強度，齒輪采用螺釘固定的臺階齒輪。在輸入軸上固定齒輪齒條機構傳遞動力，為了讓踏板在踩踏后能及時返回初始狀態，此處的齒輪需要內嵌單向軸承，齒條下配置彈簧以達到目的。在整體輪系后用聯軸器與發電機相連接，整體基本構造完成。

3 能量采集和存儲電路設計

3.1 電能采集

電能采集部分作為系統的執行部件，其重要性不言而喻。所以電機要選擇一定是要非常穩定的, 為了達到更加精準的測量和采集系統電能因此采用，HLW8032 芯片作為電能采集器件。HLW8032 是一款功耗小、可靠性高和適應環境強等優點的電能計量芯片,它采用 互補金屬氧化物半導體工藝制造，主要用于單相兩線電力應用。同時它還能夠測量線電壓和電流，并能計算有功功率，視在功率和功率因素。該器件內置頻率振蕩器、電壓參考源和電源監控電路外加光耦隔離電路確保進行串口通信是不會受到影響。

3.2 電能存儲

電能存儲模塊采用的是降壓恒壓恒流電源模塊，該模塊的輸入電壓為4.5V-32V 滿足該系統的電壓寬度范圍，輸出電壓1V-30V 可調，工作頻率可以高達380KHZ 轉換率最高為97%，模塊具有短路保護、過溫保護和反接保護。還可以進行電壓電流過流保護和調節如下：恒壓調節:跟據自己所需的電壓旋動電源板上的“恒壓調節”電位器。順時鐘調動(向右轉動)電壓調低。逆時鐘(向左轉動)電壓升高。恒流調節:在設定電流前，將“過流調節”電位往左調到最大點(默認為最大。一般不需要再調節)用萬用表20A 電流檔短路輸出，調節“恒流調節”電位器調到您需要的電流，順時鐘電流調小，逆時鐘電流調大。過流調節:為輸出短路而設計，意思是為當輸出短路超過所設定的短路電流時，電源關斷輸出從而保護電源模塊和用電設備的損壞。調節方法:先要設定保護點的電流，假如是5A 時保護。用恒流調節方法把輸出電流到到5A，然后再去調節“過流調節”電位器(順時鐘旋轉)轉到輸出無電流即可。些時的過流點就是5A。(如果保護點的電流低于設備需要的電流時電源就會保護，建議如果不需要過流保護最好保持默認即可。)

圖2 總體流程圖

4 結論

本設計通過內部的齒輪傳動與發電機相連輸出電壓利用MCU 硬件電路設計將不穩定的電壓轉化為穩定電壓同時進行逆變并存儲。分配到各個需要電的地方，比如路燈、路燈上的手機充電樁以及發光式斑馬線。目前在全世界都早已經被普遍的探究比如，在美國、日本和韓國以及歐洲等一些國家的工作人員已經取得了很多項專利、理論研究和產品等研究成果。本設計采用的是一種基于HLW8032 模塊的壓力發電系統，以降壓恒壓恒流電源模塊為核心的電能采集電路對壓電的能量進行采集并存儲在18650 鋰電池組的電源系統，相對于其他系統來說，本設計采用單片機技術，實行自動轉換控制，將不穩定的電能轉化成穩定的電能，系統性能穩定可靠，集機械結構、自動控制、色彩分配等多種技術參數為一體，具有實用性及較大研究意義。