新概念绿色发电环保鞋说明书

第三届大学生节能减排社会实践与科技竞赛作品说明书科技作品类（含实物制作、软件、设计等）作品名称：新概念绿色发电环保鞋学校全称：德州学院作者代表：陈康□研究生团队√本科生团队新概念绿色发电环保鞋设计说明书设计者：陈康，韩广超，马诗乐，刘坤，辛晓，康永杰，王军鹏指导教师：王志坤（德州学院机电工程系，山东德州，253023）作品内容简介通过社会需求调查与科学实验设计了绿色发电环保鞋,旨在挖掘生产生活中的潜在能源，节约资源，方便人们在户外活动时（尤其在电源网络遭受破坏的灾区环境）的夜间照明、搜寻定位和对小功率用电器（手机、MP3、MP4、iPod音乐播放器等）的实时充电。本装置主要由压力发电模块、倍压模块、整流稳压模块，电能储蓄模块、电能传输模块、照明模块、充电模块、信号发射与接收模块、电压绝缘模块和重力缓冲模块组成。利用人行走过程中脚部上下位移的变化使线圈切割磁感线将重力做功转化为电能，实现夜间照明和对小功率用电器的充电。也可通过信号发射与接收装置，对被困人员进行搜救。该装置绝缘模块保护人体不受电压影响，缓冲气垫置于鞋底，让人们在活动时更加舒适、安全、便捷。关键词：压力发电装置、磁感线、倍压整流电路、信号发射与接收装置联系人：陈康、联系电话：[phone]、E-MALE：[e-mail]1研制背景及意义随着当今通讯技术日益发达，可反复使用的可充电电池的需求量在全球范围内急剧增长，特别是锂离子系列的可充电电池，需求量更是大幅增长。给成千上亿支的可充电电池充电，其消耗的电能总和是惊人的。如果人们使用可充电电池，并穿上一种发电鞋，那么在行走运动时就自然而然地给电池充电。那么，可以清楚地联想到绿色发电环保鞋的益处：不仅节约能源、降低排放，而且还减少了一次性电池对环境的污染。除此之外，近年来自然灾害频繁发生，该发电鞋可得到广泛应用。例如，在地震灾区，电线网络已被破坏或者电力异常紧张的时候，利用一种发电鞋便可解决晚间的照明问题、对小功率用电器的充电问题，可利用鞋中所带信号发射与接收装置对人员搜寻定位。结合现实社会的需求，在多方面的考虑之下，我们设计出了绿色发电环保鞋。目前有资料披露：有一种利用人们行走运动，踩踏齿条上下运动，齿条带动齿轮旋转并联动电机发电的压力发电鞋。但因其机械传动所产生的摩擦发热、磨损快、噪音大使其效率低、寿命短。本发明使用的压力发电装置采用整体结构，减少了机械传动所产生的摩擦，发电效率高，噪声小。2设计方案我们的基本设计思路是，当行走时，人的脚和鞋底之间会产生一小段间隙，为了利用这种上下起伏的位移，在这一间隙之间安装上压力发电力装置，人脚就会挤压发电装置，带动装置中的永磁体产生上下移动，使线圈内的磁芯不断变换磁极从而切割磁感线产生电能并在鞋内整合了倍压模块、整流滤波模块、可充电电池、发光装置以及USB充电接口，实现了对所产电能的充分利用，并为日常生活提供了便利。2.1基本设计思路总体框图如图1所示，图1总体框图2.1.1压力发电装置在一绕有绝缘线圈的软磁芯上下两侧放置两个永磁体。当人的脚跟上下移动时，通过压力传导装置使上侧永磁体也随着上下运动，使软磁芯极不断产生变化，从而达到使绝缘线圈切割磁感线发电的目的。由于上下强磁磁性相同，互相排斥，可有效缓冲人走路时地面给予的反作用力，让人感到更加舒适。该方式制作简单，可操作性强，发电效率高。1.永磁体；2.压力传导板；3.线圈；4.软磁芯；5.永磁体；6.弹力装置；7.导槽；8.弹力装置；9.导槽压力发电装置升压装置蓄电池LED照明充电插孔整流滤波装置信号发射与接受装置2.1.2升压电路该倍压电路由简单器件二极管、电容组成。利用二极管的单向导通特性和电容器的充放电功能制作一种简单易行的升压电路。此充电电路在保证其电流可以满足条件的情况下，可使电压放大四倍。将倍压电流输送给整流滤波电路。升压电路图图2所示+C1100uF+C2100uF+C3100uF+C4100uFD2IN4007D4IN4007D1IN4007D3IN4007R11K12J2输出12J1输入图2升压电路图2.1.3整流滤波电路整流滤波电路由全桥整流堆、电解电容和稳压芯片7805组成。其工作原理：整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用。当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的电流与电压波形见图3。1234D112J2输入D5LEDD6LEDD7LED+C5100uF+_DCS1SWSPSTR21K+_接口D6IN4007Vin1GND2Vout3U17805图3整流滤波电路图图4单相桥式整流电路的电流与电压波形2.1.4信号发射电路信号发射电路有编码芯片PT2262-IR以及简单外围电路组成。PT2262-IR内部包含载波振荡、编码、发射电路，操作简单。其编码选通电路，使其具有保密性和抗干扰性。6路输出相互独立，使其具有自锁性。可控制多路使用强电的通信设备，也可控制多路使用弱电的通信电路，还可同时分别控制多路使用强电、弱点的通信设备和电路。在这个发射电路中为方便考虑，将其A0-A78管脚悬空。其工作电压范围为3-15V,信号发射距离可达50米。信号发射电路图如图5所示112233445566778899101011111212131314141515161617171818SC2262116R9A12MQ1C33356L1D1IN4148C1TIANXIANS1S2S3S4116R6A116R7A116R8A27k116R5A27kD2D3D4D5116R1A100k116R2A100k116R3A100k116R4A100k116R0A47KD6Y1SAWC2C312V图5信号发射电路图2.1.5信号接收电路以PT2272及其外围电路构成的接收电路如图6所示。芯片PT2272,具有很宽的电压范围,较低的功耗和较强的噪声抑制能力,最大到12位三态地址管脚或6位抑制管脚,外接一只电阻的振荡器,有锁存型、互锁型和瞬态输出型。为了同发射电路地址匹配以保证其工作正常PT2262的A0-A78位地址均悬空。图6中以包含了选频网络、放大、整形等电路，因此在信号接收端1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉天线。112233445566778899101011111212131314141515161617171818PT227212CON2L?INDUCTOR3Q2PNP1122334455667788LM3581CON1R14C11R3TIANXIUANC1CAPL1C2CAPR1R2C3CAPR4C4CAPR5R6Q1PNPL3C7CAPR8C5CAPC6'CAPR16C8CAPC9CAPR7R15R9C10CAPR10R13R11R12图6信号接收电路2.1.6控制系统以及显示装置电路在满足功能要求的条件下，为操作简单以及提高性价比，本装置选用STC89C51控制系统。外围电路与信号接收电路、液晶显示电路连接。可实时显示搜寻结果，并且当搜寻目标出现后系统会发出声音信号及灯光报警。其方便、快捷、高效的特点，尤其在抢险救灾搜救中可得以体现。1P1.02P1.13P1.24P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST10(RXD)P3.011(TXD)P3.112(INT0)P3.213(INT1)P3.314(T0)P3.415(T1)P3.516(WR)P3.617(RD)P3.718XTAL219XTAL120GND21P2.022P2.123P2.224P2.325P2.426P2.527P2.628P2.729PSEN30ALE/PROG31EA/VPP32P0.733P0.634P0.535P0.436P0.337P0.238P0.139P0.040VCCSTC89C511KSW-PBCAPACITORVCCC?CAPC?CAPY?CRYSTAL1234567891011121314151617181920J?Comment:CON20VCCR?POT2VCCVCCNetLabel1P1.0P1.1P1.4P1.3P1.2SPEAKERLED(G)LED(R)2.2机械部分我们所设计制作的这种绿色发电环保鞋没有机械传动，其发电装置无机械部件直接接触，从而克服了前述齿条、齿轮和电机联动发电的压力发电鞋有摩擦发热、磨损快、噪音大和做功行程距离大等不足。其体积小，效率高，便于安装，可操作性强。3理论设计计算3.1升压电路部分如图2升压电路图所示，设输入电压为u2，则输出的电压为4倍u2。例如：若输出电压为1.8V,则输出的电压为7.2V。3.2稳压电路计算所输入的电压通过升压电路的升压之后，还要通过稳压电路的稳压。当电压通过拥有三端稳压器7805的电路之后，转换成稳定的5V直流电压，就可以给蓄电池供电。4发射与信号接收部分计算信号发射与接收装置，通过调节可实现不同距离的信号传输。经过实际实验操作，其发射与接收距离50米以内效果显著。5工作原理及性能分析当人们行走或者跑步时，作用于地面的挤压力和反作用力会对鞋底产生上下起伏的位移，利用这种上下起伏的位移，带动永磁铁上下移动，使固定线圈内的软磁体不断改变磁极而达到切割线圈以产生电能的压力发电器。装配上倍压模块、整流滤波模块、可充电电池、发光元件、开关、小型插口，然后安装在鞋子上做成绿色发电环保鞋。再在鞋子里安装上信号发射装置，当人们遇到地震、洪涝等灾害时，便可即时发出求救信号，以便搜救人员进行搜救。只要人们在行走，便有电能产生。若每天步行5公里，则在这一周左右的时间里，所产生的电能便能够充满一块容量为1050mAh的手机电池。鞋内磁力缓冲装置，让人在活动中更加舒适。实物如图5所示，图5绿色发电环保鞋5鞋底材料采用聚氨酯材料聚氨酯材料综合性能很好。不仅其强度高、弹性高、压缩强度高，抗撕裂性能优异，耐磨、耐氧及臭氧、耐溶剂（如非极性溶剂己烷、庚烷、石蜡油等，对于极性溶剂聚氨酯几乎没有任何作用，甚至在高温条件下，聚氨酯在非极性溶剂中的溶胀也很小），而且质量轻，对于鞋的轻量化设计很有意义。6创新点及应用1．本发明挖掘出了人类社会生产、生活领域中尚未加以利用的绿色能源，在节约能源的同时实现低排放，符合当今社会对绿色、节能、低碳产品的新要求。2．在设计上，创意新颖。打破了利用太阳能等绿色发电的常规方法，而运用压力发电。充分考虑到环保节能等方面因素的同时，力求开辟绿色发电新途径，降低投入成本。3．考虑到产品的舒适性，安装磁力缓冲装置，选择聚氨酯作为鞋底材料，增加了减震效果。4．在选材上，所选材料均为电子电路中最常见、普通的元器件，力求提高其性价比。发电机采用手工制作，结构简单，操作性强，效率较高。5．在应用上，本设计可广泛用于人们在户外活动时的夜间照明和对小功率用电器的实时充电，也可以供给地震灾区野战军和人们在晚间使用。6.在发生险情时，人们可以利用鞋子里的信号发射装置进行求救。参考文献[1]秦曾煌.《电工技术》[2]王兆安.黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2000[3]冯玉生.李宏.电力电子变流装置典型应用实例.机械工业出版社.2008.3[4]夏德钤.自动控制理论.机械工业出版社,2000.5[5]冯嘉雪.发展可再生能源：优化中国能源结构的必然选择.产经网-中国工业报，2004[6]顾树华，张希良，王革华.能源利用与可持续发展.北京：能源出版社，2001[7]电子电路图站：[8]维库网：