面向工程作业环境的一种可充电双控照明鞋设计

王　莹，李　洋*，刘劲夫，刘文星，冯晓宇

(1 东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2 东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)



面向工程作业环境的一种可充电双控照明鞋设计

王莹1，李洋1*，刘劲夫2，刘文星2，冯晓宇1

(1 东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2 东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

摘要：通过对工程作业环境调查，结合当前市场需求，设计出一款面向光线较暗工程作业环境的实用性照明鞋。该设计通过USB接口充电器和太阳能电池板作为电能来源，存储于锂电池中为鞋体LED灯装置提供电量，使其发挥照明作用；结合光控传感器和压力传感器原理，在“较低光照”和“较大压力”双重条件作用下，实现照明鞋体LED灯电路控制，实验表明当光照强度≤80lx，作业者体重≥25kg时，可有效控制照明电路开关；通过模拟试验法确定LED灯型号，确保LED灯达到理想的照亮范围和照明程度。该设计可以广泛应用于较暗工程作业环境中，作业者无需手拿照明设施，即可正常作业，提高了作业效率，增加了实用便捷性。

关键词：工程作业；照明鞋；充电；双控；LED灯

0引言

在现代社会中，作业者常需要在较暗的工程环境中进行作业，光线不足导致作业者视线模糊，工作效率低下。本设计在日常穿着的普通鞋基础上，增加照明装置，实现鞋的多功能利用。在当今市场上，已出现多种发光鞋，但是均以美观、炫酷为主，光照度不足缺少照明实用性。即便存在针对于照明鞋的研究，但在诸多方面也表现出不足之处，譬如夜光材料[1]，发出的光太微弱；压电发光鞋[2]，电路过于复杂，难以安装等。

该设计在现有研究的基础上，从社会可持续发展、节约能源和保护环境的角度出发，利用太阳能和USB双结合的方式给鞋内的6V锂电池进行充电，通过压力、光感双控系统启动照明，照明灯采用12点式LED灯组，等同于25W白炽灯和6W节能灯的亮度，同时鞋体表面采用透气性良好、防水的材料，增加穿戴的便捷性，有效的解决照明实用性问题，环保轻便。

1设计方案

该项目本着环保轻便、节约能源的原则，在充分了解市面上现有的照明鞋的照明原理、供电来源、各部件连接方式以及外形构造的基础上进行改进，采用便捷轻便型材料进行设计。

该鞋以在较暗的工程作业环境中照明为目的，通过USB接口和覆盖在鞋体侧面的柔性太阳能电池片实现电量供应，并利用锂电池实现对电量的存储及释放；之后通过设置于鞋体上的光控传感器和压力传感器，在“较低光照”和“较大压力”双重条件控制下，实现电路的连通；最后利用升压稳压电路，提供LED灯充足的电压，实现照明功能；同时通过选用耐潮湿、防水、抗压性能良好的材料，为在不同工程环境中作业做好保证。

该项目对上述各个模块分别进行实验，模拟照明鞋在不同环境中的适应情况，记录数据，得到最终的电路图和简易效果图。

可充电双控照明鞋研究方案设计如图1所示。

图1　可充电双控照明鞋研究方案设计Fig.1 Design scheme of double control charging shoes

2设计原理

采用太阳能电池板和USB充电双结合的方式把电量存储于锂电池里，通过光感、压力双系统输出电压，最后利用升压稳压电路输出12V的稳定电流和电压，供LED灯照明使用。通过对实现功能的各个零部件分别进行实验和数据记录后，再对总电路进行调试，初步制作出照明鞋的模型。

2.1充电装置设计

该项目采用USB和太阳能双结合的方式给鞋内的锂电池进行充电，节约能源，保护环境。

2.1.1USB充电设计

照明鞋主要依靠USB充电器对LED灯实现电量供应。利用USB充电器直接把220V电压转换成5V电压供给锂电池，通过XD6903芯片对锂电池进行充电[3-4]，图2为该型号芯片USB供电的典型应用图，先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，应进行预充电，充电电流大小为设定电流的1/10，当电压升至3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V，此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

图2　USB充电应用图Fig.2 USB charging application graph

2.1.2太阳能电池板充电设计

秉持着节约能源的原则，该项目利用太阳能提供一部分电量。采用NCP1400ASN50T1型号的太阳能电池为锂电池进行充电[5]，如图3所示，连接PV太阳能板和电池组电路，顺时针满旋浮压设置可变电阻VR1，LED1变为红色，PV板对电池组进行充电，通过电压表监视电池组电压，直至达到充足电的设置值(5V)；然后反时针转动VR1，直到LED1红色和绿色交替亮，再微调VR1至发光二极管闪烁，即电池组电压已达到充足状态。

图3　NCP1400ASN50T1太阳能电池充电电路Fig.3 Solar battery charging circuit for NCP1400ASN50T1

2.2开关控制设计

该项目是利用光控继电器、压力传感器构成逻辑电路中的“与门”电路，控制鞋体的LED灯电路，启动照明。

2.2.1光控继电器

用光照强度控制整个线路的通断，采用SRD-12VDC-SL-C型号的光控继电器，测试在何种光照强度下，电磁铁将导电片吸合，电路连通。

首先利用照度计测量1000、100、10 lx的光照强度，之后分别在三种不同的光照强度条件下，测出光控继电器输出的电压与电流，比较其关系，测量数据见表1。之后利用5V电压箱，固定输入端的电压，测出在不同光照强度下，光控继电器输出的电流，比较其变化情况，测量数据见表2。

表1　电压与电流关系表

表2　光照与电流关系表

将测量出的数据输入到型号为PF1202的电参数测量仪中，绘制出电压、光照与电流关系曲线，如图4和图5所示。

图4　电压与电流关系图Fig.4 Voltage and current diagram

图5　光照与电流关系图Fig.5 Light and current diagram

由上述曲线图得出结论，当光照强度≤80lx的时候，光控继电器中的电磁铁将导电片吸合，电路连通。

2.2.2压力传感器

电源通过SRD-12VDC-SL-C型号的光控继电器将电压信号送入型号为FSR402的薄膜式压力传感器模块的输入端后，当没有压力作用时，输出端会输出近似为零的低电压，当有一定大小的压力作用时，输出端会输出近似于5V的波浪形模拟电压。

通过输入固定的5V电压，测量在不同压力情况下的输出电压值，测量数据见表3，将测量出的数据输入到型号为PF1202的电参数测量仪中，绘制压力与电压关系曲线，如图6所示。

表3　压力与电压关系表

图6　压力与电压关系图Fig.6 Pressure and voltage diagram

由图6得出，在作业者体重≥25kg时，压力传感器的输出端会输出近似于5V的波浪形模拟电压，电路连通。

综上所述，当光照强度≤80lx，作业者体重≥25kg时线路才会连通，二者结合有效的起到了双控开关的作用。

2.3稳压输出设计

上述压力传感器的输出电压是波浪形，并且走路过程中由于两脚受力的交替变化会导致电压大小的变化，极其不稳定，所以不能直接利用。

基于上述结论，该项目增加555施密特反向触发器进行电压的调整，电路如图7所示，将波浪形的电压转换为一个边沿极陡的矩形波信号[6]，如图8所示，送入单片机系统中。当单片机系统检测到这一信号时，可以立即使输出引脚由低电压0V转为高电压5V，并可以通过编程来实现30 s的延迟时间，30 s后输出引脚自动转变为低电压，从而解决两脚交替引起的信号干扰使LED灯状态不稳定问题。

图7　555施密特反向触发器电路图Fig.7 Schmidt reverse trigger circuit diagram of 555

图8　矩形波信号Fig.8 Rectangular wave signal

2.4升压电路和LED灯组设计

2.4.1升压电路

由于单片机系统输出的电流较小，不足以提供LED灯组照明，因此采用升压电路对电路进行整流，通过MH7013升压芯片[7]实现，如图9所示，可将5V的电压转换为可驱动LED灯组照明的12V电压。

图9　MH7013升压电路Fig.9 Booster circuit for MH7013

2.4.2LED灯组设计

通过以一个LED灯[8]功率为1W为标准，分别测算出1、3、4、8、12W的LED灯的照明亮度，与节能灯和白炽灯功率相比较的等同结果见表4。

表4　LED灯、节能灯、白炽灯功率比较表　W

通过表4得到的比较结果分析，采用功率为3W的“12点式LED灯组”较为合适，能耗小，亮度大，亮度等同于25W白炽灯和8W节能灯，可为周围15 m3左右的范围提供充足的照明。

2.5外观材料

三控充电环保照明鞋内部包含电路，考虑到电路保护问题，鞋面内部与电路接触部分采用抗震且透气性良好的海绵层，鞋面采用防水、轻便、抗腐蚀和老化的PU面，价格便宜，品种多样；在鞋体的底部，考虑到需要安装压力传感器，采用富有弹性并且轻薄的橡胶底，能够使压力传感器轻易感受到人体重量的变化情况。

3结束语

该设计选择日常生活中常见的鞋为研究对象，针对在较暗工程环境作业需要，作业者可以不用手拿照明设施，仅依靠鞋体发出的灯光满足照明需求。利用太阳能和USB双结合的方式给鞋内的锂电池进行充电，通过压力、光感双控系统启动12点式LED灯组进行照明。解决了现有发光鞋以美观、炫酷为主，缺少照明实用性问题，实现在较暗的工程作业环境中，依靠鞋的照明功能，作业者双手可以正常作业，有效提高了工作效率，增加了便捷性。

【参考文献】

[1]肖志国.长余辉夜光材料：中国，CN96102906.4[P]，1997-08-20.

[2]张涛，孙立与，蔡鹤皋.压电陶瓷基本特性研究[J].光学精密工程，1998，6(5)：64-69.

[3]钟国华，吴玉广.锂电池保护电路的芯片设计[J].通信电源技术，2003(5)：24-27.

[4]孙培，贺婷，姜树海.多通道传感器供电电源设计[J].森林工程，2009，25(6)：43-45.

[5]段益祥.太阳能电池板充电、控制电路[N].电子报，2006-5-7.

[6]孙培安，吕晓辉，赵继新，等.由施密特触发器构成的三相移相触发器的设计[J].山东科学，2005(4)：42-53.

[7]高艳丽.一种DC-DC升压转换器的设计[D].西安：西北工业大学，2007.

[8]王国宏.半导体照明大功率LED进展[J].新材料产业，2004(6)：38-45.

Design of Engineering-Oriented Double Control Charging Shoes

Wang Ying1，Li Yang1*，Liu Jinfu2，Liu Wenxing2，Feng Xiaoyu1

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2 College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：Through the investigation of the engineering environment，combined with the current market demand，lighting shoes were designed for low-light environment.The design via the USB interface charger and solar panels will provide electrical energy，and store energy in the lithium battery for the LED lamp，playing the role of lighting；using optically controlled sensors and pressure sensors，in the “low light” and “high pressure” double conditions，the lighting LED circuit control for shoes can be realized.The experiment showed that when light intensity was less than or equal to 80lx and the operator’s weight was more than or equal to 25kg，the switch of the lighting circuit can be effectively controlled.The simulation test method was used to determine led lamp type and ensure that LEDd lamp to achieve the ideal range of lighting and lighting levels.The design can be widely used in low-light working environment，and the operator doesn’t need to hold the lighting facilities，which can improve the work efficiency and increase the practical convenience.

Keywords：engineering operation；lighting shoes；charging；double control；LED lamp

中图分类号：TU 899

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)03-0053-04

*通信作者：李洋，博士，副教授。研究方向：物流工程。

作者简介：第一王莹，本科生。研究方向：物流工程。E-mail：lynefu2003@163.com

基金项目：2015年度大学生创新训练项目

收稿日期：2015-12-11

引文格式：王莹，李洋，刘劲夫，等.面向工程作业环境的一种可充电双控照明鞋设计[J].森林工程，2016，32(3)：53-56.