基于混合自动充电技术的智能定位鞋探究

陈诺凡



基于混合自动充电技术的智能定位鞋探究

陈诺凡

福州第二中学

针对目前智能定位鞋存在的持续供电时间有限、隐蔽性不强等缺陷，为解决对“走失”人员无间断、持续的安全跟踪，该文就智能定位鞋的混合自充电功能进行了探究。混合自动充电系统由两部分构成，即通过人走动对鞋后跟的压力把机械能转换成电能存储，并在鞋跟两侧安装太阳能光膜把光能转换成电能。

混合充电 法拉第定律 稳压限流 智能定位

随着科技发展的日新月异，定位技术已经发展到了成熟阶段，市面上也有许多可供选择的定位模块，与通讯技术相结合，从定位功能上看并不困难，真正的难度是如何实现长效续航。经调查，现有各类产品的省电模式主要有三种，即开启省电方案尽可能节源、加大电池容量、闪充。智能定位鞋的主要用途是防丢，要实现对老人、孩子和出门在外时间长的人能实现持续定位跟踪，最理想的方案是在不外接电源的情况下实现自充电。利用身边的资源实现自发电，很容易想到利用太阳能光板。经研究分析，一种柔性的太阳能光膜比较适合安装于鞋跟两侧。但在进一步实验中发现，光伏的输出电压受光强影响，输出电压差值大，如若在阴雨天，则无法有效充电，还需要另一种自充电方式进行补充。于是，笔者联想到小时候的玩具——按压式手电筒、手摇式电风扇（见图1），这两者都可以通过手动的方式进行发电，实际上就是机械能转换成电能的原理，当然要改变机械运动的方式。

图1 手动发电参考

1 混合动力模块设计

自动充电电路由两部分构成：第一部分是通过人体走动对鞋后跟的踩压，把机械能转换成电能，第二部分在鞋帮两侧加上太阳能光膜的设计，把光能转换成太阳能，达到自动获取电能、持续使用的效果。

智能定位鞋的整体结构可选择放置左/右脚，两只脚结构略有不同，可以实现一边模块使用、另外一边备用的功能，必要时左右脚定位模块可以互换，具体结构框图见图2～图3。

图2 定位鞋左脚结构框图

1.1 机械能转电能模块

1.1.1机械能转电能模块原理

本模块通过运用法拉第电磁感应原理，让棘轮机械结构产生单一方向的旋转，产生一个旋转磁场，让线圈和磁场发生相对运动，线圈中的磁通量发生变化，磁通量变化是电磁感应的根本原因，产生感应电动势是电磁感应现象的本质。因此，当环形线圈中的磁通量变化时，会在导体上产生感应电流。根据感应电动势公式可以得出，产生的电压与磁通量变化成正比，与频率成正比，当旋转磁场变化的速度越快，产生的感应电动势越大，具体电磁感应原理见图4。

图4 电磁感应发电原理图

1.1.2机械能转电能模块结构

本模块内部包含磁条一个、齿轮一只、回复弹簧一只、啮合机构一组、发电线圈、磁铁一对，以及一只储能电池。主要利用了棘轮机构的特征以及配套电路设计。本模块中的棘轮机构主要由主动摆杆、棘爪、棘轮、止回棘爪和机架组成。棘轮机构的条件与一个固定的从动轴相连，并和结构中的棘爪部分相连接。当整个机构按压的时候，机构顺时针方向旋转，此时棘爪在棘轮的齿背上滑动。当整个棘轮机构逆时针方向运动时，止回棘爪阻止棘轮机构逆时针运动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，这时棘轮静止不动。因此，当整个机械结构作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。

图5 棘轮机构原理图

棘轮机构与齿轮结构相同，根据公式=，利用模数作为齿轮有关尺寸选择的基本参数，而棘轮标准模数的确定主要参照顶圆直径这一参数，另一个重要参数一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。参数的选择是由机械结构的进给和分度为依据，可以根据棘轮最小转角，一般取= 8~16，然后选定模数。在该系统中，棘轮设计齿数=12，机构的模数选取=2，测算出整个棘轮机构的顶圆直径为=24mm，根据定位鞋的实际安装尺寸，适当调整棘轮尺寸参数。

1.1.3机械能转电能模块制作

整个机械传动结构由棘轮、传动轴、脚踩柄等部分构成，棘轮安装在鞋跟底部位置，传动轴的固定由3D打印出的柱子来完成。轴是支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。轴的设计要考虑轴的功能使用要求、材料、轴的制造工艺、价格、尺寸等方面的要求，所设计的轴是用来支撑棘轮转动的。轴的材料选择 45号钢，在制造工艺方面可以选择正火处理或调质处理，正火处理是将钢材或钢件加热到Ac3或Ac3以上适当温度，保温适当的时间后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺，其目的在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。调质处理是钢材在淬火后加高温回火，目的是使调质后的零件具有优良的综合机械性能。但由于45号钢正火处理价格更便宜，且也能满足轴的功能使用要求，所以选择正火处理。机械传动结构是机械能转化电能的关键部分，该部分运用法拉第电磁感应原理，通过棘轮机构单向旋转，使线圈与磁铁产生相对运动，产生感应电流，达到给GPS模块供电以及充电的目的。

图6 传动轴结构图

图7 机械能转电能模块输出波形图

1.2 太阳能转电能模块

1.2.1太阳能转电能模块原理

太阳能转电能主要应用的原理是光伏效应，它的发电方式有两种，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式，本文选择的是光—电直接转换方式。太阳能电池是一个对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。

1.2.2太阳能转电能模块设计与制作

考虑到目前市面上的5V太阳能充电面板体积较大，无法满足安装需求，故采用3片1.5V光伏板串联的方式提升电压。同时为了防止弱光环境下光伏板电压过低，出现逆流，在光伏板的输出部分串接了一个肖特基二极管，利用其单向导通的原理制止逆流。便携式太阳能备用电源以太阳能为转换来源，将太阳能转换成电能，将电能通过锂电池进行存储，以达到智能定位鞋户外供电的目的。本设计采用了3块太阳能软板来完成电压供给，输出电压为0～6V之间，输出电流为350mA左右。太阳能软板并联安装在鞋跟的两侧，外面嵌入透明塑料达到防水的目的，这种设计很好地满足了智能定位鞋供电需求。

图9 单片板有光下的电压测试

图10 鞋跟边缘软板的安装

2 充电电路模块设计

2.1 电源稳压设计

串联得到的光伏电源，在强光条件下峰值电压可能突破6V，而由踩压式发电得到的电压也不稳定，需对电源信号进行稳压处理。传统稳压方案通常选择并联稳压二极管的方法，此方法的稳压值易受温度影响。新型稳压方案是使用管理芯片代替单一的稳压管降压，只需与简单的外部元件相配合，就能实现稳压功能，工作稳定，体积小，抗干扰能力强。经过对同类元件的反复比较，最终选定使用TD1410降压芯片来实现降压功能，该芯片可将6～15V的输入电压转换为5V电压稳定输出，降压电路见图10。

2.2电源限流模块设计

稳压模块保障了5V稳定电压的输出，电流最大可达2A。而定位模块的充电需求只有500mA，长期过流容易损毁元件，因而需接入限流环节。BQ24202采用八脚MSOP封装，是一种常用于锂电子电池或锂聚合物电池的充电器，正好能够满足本设计的要求。稳压模块与降压模块相配合，给充电过程加上了双重保护。

图12 电源限流电路图

2.3 电压检测模块设计

智能定位鞋电源模块电压检测应用了TL431这块芯片，它是一款可控的精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意设置从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值，其内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。TL431可等效为一只稳压二极管，当输入电压增大，输出电压增大导致了输出采样增大，这时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大，这也就使得流过限流电阻的电流增大，这样限流电阻的压降增大，而输出电压等于输入电压减去限流电阻压降，输入电压增大与限流电阻压降增大使得输出电压减小，实现稳压。电源模块电压检测电路见图13。

由图13可知，用IC内部2.5V基准电压监视蓄电池电压的高低。假设现蓄电池正在充电，也就是9013导通，继电器K吸合；当蓄电池电压上升至5V时，A点电位升至2.5V，TL431导通，B点电位降至0.2V，9013截止，继电器K1-1断开充电电源，充电结束。同时，C点电位上升牵动A点电位也上升，进一步锁定TL431在导通状态。当蓄电池使用至3.9V时，A点电位小于2.5V，TL431截止，B点电位上升，使9013导通，继电器K吸合，接通5V电源，新一轮充电又开始。当蓄电池电压上升至5V后，又停止充电，如此反复循环。出于缩小体积的考虑，上图中的继电器K也可换成贴片式光耦继电器。

图13 智能检压电路图

3 智能定位鞋模型的设计与制作

3.1 定位鞋模型的建模

智能定位鞋的制作主要分为建模和打印两个部分。定位鞋的鞋跟部分建模利用了SolidWorks软件，该款软件使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及与第三方软件集成的技术，是一款适用性很强的软件。在建模时，充分考虑到了机械能转电能模块的安装位置，以及太阳能转电能模块的安装位置，同时把GPS模块的固定位置设计成活动式，以方便模块的维护。

鞋模的打印采用了市面上主流的3D打印技术，3D打印属于快速成型技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。本设计利用光固化打印机进行打印，将SolidWorks相应形状与规格的鞋底模型转成STL文件后，导入打印机控制软件UP！中进行打印层高、填充密度等相关设置。层高越高，密度越大，打印精度就越高，相应的打印时间就越长。

图14 智能定位鞋鞋跟建模

图15 模型鞋跟3D打印

3.2 定位模块的安装与调试

定位模块使用MTK芯片，核心STM贴片技术以及高精度PVB板，体积小、外壳强度高，功能齐全。

图16 微信调试图

图17 短信以及客户端调试

[1] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 4版. 北京：高等教育出版社, 2006.

[2] 国家教育部. 中小学理科教学仪器和电教器材配备目录[Z].