基于人体行走的膝关节能量转换装置.docx

    基于人体行走的膝关节能量转换装置    顾双双+周裕杰+黄佳+张睿超摘 要：随着电子科技的不断发展，众多节能、实用的装置方便了人们的生活为了满足在远离电源或处于停电状态的特殊情况下（如偏远山区、户外旅行和重大自然灾害发生现场）为随身携带的电子设备供电文中基于发电机与单片机原理，研究了一种固定在膝盖上的便携式发电装置Key：膝关节发电；能量转换；单片机；发电装置：TK69 ：A ：2095-1302（2015）07-00-020 引 言近年来，人们对移动电子设备的依赖程度不断升级，这些设备范围从生物医学设备（如心脏起搏器、机电或神经假肢）到消费产品（如、数码相机和GPS）在远离电源的特殊情况下，如何保证这些电子设备的正常运行尤为重要本文为解决这一问题，研究了一种固定在膝盖上的便携式发电装置，该装置的设计也体现了绿色节能可持续的重要理念本文研究的膝关节发电装置不需要外部电源而将人体行走时膝盖弯曲产生的能量转化为电能，并将电能进行存储后为移动电子设备充电本方案在各模块设计时，考虑尽可能减小能量损耗的问题，此外，本文通过单片机控制电路闭合的时段来减少行走时装置对人体的阻力实验表明，该装置能够为小型电子设备提供较为稳定的电源。

1 工作原理该装置主要由齿轮组、发电机、整流稳压、控制与USB升压模块组成齿轮组添加在发电机与固定装置之间，通过提高转速比使发电机获得较高的转速，所得转速比约为1：100为了能够实现较大电能的输出，通过对多种电磁式发动机进行输出电压测试，选定三相交流发电机作为发电源在发电机输出端进行整流稳压以得到稳定的直流电为了匹配电子设备的充电电压需求，需对锂电池的电压进行升压操作此外，为了减少行走时装置对人体的阻力，电路需要在适当的时间段内断开，因此我们需要在发电机与储能电源间增加一个电子开关，利用单片机对其进行控制，控制条件由电位器所测数据决定最终装置实物图如图1所示2 电路设计2.1 储能装置的选择超级电容和储能锂电池是常见的储能设备超级电容的使用寿命和功率密度较电池都有优势，但由于其能量密度大大低于电池的能量密度，且在具体电路中对于安装位置有较高要求，因此在选择容值及其他一些参数上有较大困难，超级电容也不适合在较长时间范围内储能，综合以上因素本文确定使用能量密度较高、放电功率较大的锂电池组作为发电装置的储能装置图1 装置实物图2.2 控制模块的设计考虑到MOS管的导通压降和导通电阻小，栅极驱动无需电流，损耗小，因此，本文用MOS管作为储能电源接入电路与否的控制开关。

此外需要对电位器采集到的数据进行A/D转换，为了尽可能降低此模块的能量损耗，本文使用内置A/D端口、功耗较小的STC12系列单片机2.2.1 电子开关的设计本文使用TS5A23157型号的MOS管来实现电路的开闭，内部结构如图2所示图2 TS5A23157型号的MOS管内部结构在控制电路中，利用MOS管的2、9、10三个端口实现电子开关功能，从图2可以看出：2号端口和9号或10端口构成一个电子开关，当2号端口和9号端口连接时，MOS管导通；当9号端口和10号端口连接时MOS管断开电子开关功能需受单片机控制，即在人腿屈伸的某些时间段开关闭合，给锂电池充电，而其余的时间开关断开，停止对锂电池充电，这样达到减少装置对人腿的阻力的作用，方便使用者的行走2.2.2 电子开关开闭的条件图3是人在行走时单腿在一个周期内的伸曲过程伸展阶段的角速度比收缩阶段角速度小，导致了发电效率也相对较低，而装置对人体行走有一定的阻力，且这个阻力不可忽略，所以优先选用收缩阶段在收缩阶段的开始和结束部分角速度相较于中间阶段要小，所以最终选用收缩阶段中间的时间段进行发电，此时，电子开关闭合，其他时间段电子开关断开电位器通过电压的变化体现角速度的变化，且两者之间呈现线性关系。

本文使用电位器采集膝关节部位的运动状态，判断其处于何种阶段后，将信息发送给单片机，单片机根据收到的信息，控制电子开关的闭合图3 人体行走图单片机控制程序源代码如下：#include “stc12c5a.h”unsigned char a[2]，b[2]，c=0，D[30]， a1=0， a2=0， a3=0；void main（void）{ unsigned char i=0，j，k，m，status；ADC_CONTR|=0x80；for （m=0；m<10000；m++）；P1ASF=0x04；ADC_CONTR=0xE2；delay（1000）；while（c<30）{ADC_CONTR|=0x08；for（j=0；j<2；j++）{status=0；while（status==0）{ status=ADC_CONTR&0x10；}ADC_CONTR&=0xE7；a[j]=ADC_RES*2；delay（100）；}if（a[0]！=a[1]）{ if（a[0]>a[1]）D[i]=a[0]-a[1]；elseD[i]=a[1]-a[0]；i++；delay（100）； }else{c++；delay（100）；}}for（k=0；k{ a2+=D[i]；}a3=a2/i；while（1）{unsigned char l；for（l=0；l<2；l++）{status=0；while（status==0）{ status=ADC_CONTR&0x10；}ADC_CONTR&=0xE7；b[l]=ADC_RES*2；delay（100）；}if（b[0]>=50&&b[1]>=50）{if（b[0]>b[1]）a1=b[0]-b[1]；elsea1=b[1]-b[0]；if（a1>a3）P0=0x01；elseP0=0x00；delay（1000）；}}控制模块最终的实体如图4所示。

图4 控制模块电路2.3 稳压模块的设计本文首选LM系列稳压芯片对发电机产生的经过整流后的电压进行稳压为了保证稳压芯片的正常工作及锂电池的正常充电，输出电压在3.7 V左右在实际操作过程中，此电路在发电机连续发电期间，输出的电压波形类似于方波，即在一个周期内有一部分电压值为0 V，这说明此电路的电压转换效率不高，因此，我们利用专门的锂电池充电板进行稳压具体电路结构如图5 所示图5左侧为输入电压接口，输入范围为3～5 V，右侧为输出电压接口，充电截止电压为4.2 V2.4 升压模块的设计由于锂电池的输出电压在3.6 V左右，而的充电电压为5 V，锂电池不能直接为充电因此本文选择首先对锂电池的输出电压进行升压，然后利用USB接口为进行充电经过筛选、测试，本文选择图6所示的升压模块，模块的电压转换效率较高，并且在充电时有指示灯指示图5 稳压模块电路 图6 升压模块电路3 结 语本文介绍了一种固定在膝盖上的便携式发电装置，该装置不需要外部电源而将人体行走时膝盖弯曲产生的能量转化为电能，并将电能进行存储后为移动电子设备充电本装置可进一步优化，如减轻装置质量、提高装置发电效率和储能电源寿命等此外，还可对装置进行人性化和智能化的处理，如显示锂电池的储能百分比、控制的充电时间、调节充电不同阶段的电流大小等。

Reference[1] Q. Li，Weber， Douglas，Donelan， James Maxwell，et al.Biomechanical Energy Harvesting： Apparatus and Method [D]. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena， CA， USA， 2008.[2] J. M. Donelan，Li Q，Naing V，et al.Biomechanical Energy Harvesting： Generating Electricity During Walking with Minimal User Effort [D].Science，2008.[3] James Maxwell DONELAN et al.， METHODS AND APPARATUS FOR HARVESTING BIOMECHANICAL ENERGY [P]. Patent No 0038056 Feb. US 14， 2013.[4] 技能士の友编部.齿轮的功用及加工 [M]. 陈爱平，张韵风，侯欣芸，译.北京：机械工业出版社，2010.   -全文完-。