张伟伟 张莎
【摘 要】本文利用电磁感应原理设计了一种可穿戴式人体机械能采集系统。该系统使用一个简易的手摇式设备使得线圈切割磁感线产生电能，最终将绿色的人体机械能转化成电能，完成对锂电池的充电功能，可以为可移动电子设备提供电源。
【关键词】绿色;人体机械能;电磁感应;可移动电子设备
中图分类号： TM912文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）01-0110-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.046
0 引言
随着可移动电子设备的出现以及数量的剧增进一步加大了能源和环境问题，同时很多器件的供电问题成为了它们发展的一个很大阻碍。目前这些靠电池、电力线解决供电问题，但前者供电时间短，后者花费大且再某些环境中无法利用。所以科学界在寻找一种可代替电池、能自我维护的新型电源。本文设计的可穿戴式电磁感应能量采集系统可以把人体运动产生的机械能转变成电能，为可移动电子设备提供大量电源，给人们生活带来便捷。
1 可穿戴电磁感应式能量采集系统的工作原理
本文利用电磁感应定律对能量采集设备进行结构类型设计，利用一些发电和转换装置将人体的机械能转换成电能，并给随身携的电子产品进行充电。
法拉第电磁感应定律：若穿过闭合回路（一般是线圈）的磁通量发生变化，则回路中会产生感应电动势，感应电动势对应于等式（1）所示。感应电动势的大小与磁通的变化速度成正比，并且感应电流的方向与磁通量变化的方向相反。
2 系统硬件电路设计
2.1 总体电路
本文设计的可穿戴式电磁感应能量采集系统的电路有四大模块：发电电路、整流电路、降压电路、充电电路，见图1。
利用手摇发电机作为发电电路，将整流电路部分设计为桥式整流电路，将发电电路部分产生的电流，通过整流电路整流后，经过两根导线，完成对电池的充电。
本文设计的穿戴式设备能量采集系统-电磁感应式收集的整体电路图如图2所示。
2.2 发电电路设计
本设计中选用手摇式发电机作为发电模块，如图3。
手摇式的发电机是一种直流发电机，由线圈和摇杆组成，其工作原理遵循电磁感应定律。线圈这种一圈一圈的缠绕方式可以节省绝缘导线材料，而且密度大电感量随之增大。在安装线圈之前一定要检查线圈的结构是否牢固，线圈缠绕式一定要绕紧不可以有松动现象，线圈安装的时候将线圈安装在整个装置易于调节的地方，在实验调试的时候可以更方便的调整线圈中的电感量，使得实验更加的轻松，节省了更多的时间。通过多次的实验，得到发电机工作特性是正传反接、反接正传。另外，经过对铰链四杆机构进行的研究，并对曲柄摇杆机构的设计运用到三角函数中的余弦定理、mat lab等进行公式的计算，得出装置中摇杆摆动的合理的角度为8°。通过人力旋转发电机上的摇杆，带动线圈切割磁感线，产生电动势。通过万用表对此发电机发出的电进行测量，当转速为43r/min，电压基本稳定在7v左右，无论正传与反转通过整流电路都可以使得整个电路保持通路，符合本文对发电电压值的要求。在发电机的输出端引出两根导线，再接到电路中，就可以充当电源，给设备供电。
2.3 整流电路设计
本设计中因为直流电机正传与反转发出的电压正好相反，为了转动发电机时不再浪费时间更改线路，所以使用整流电路，起到方向固定的作用，無论正传或反转均可使电路中通正向电压，保持电路的通路，还可将电路中可能存在的交流电转换为直流电。
对半波、全波、桥式三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性进行比较后，得到桥式整流电路的整流元件更耐压，重复使用性高，适用范围更加广泛，价格优廉，更加节能和高效。因此本设计选用桥式整流方法。
桥式整流电路得到的是直流脉动性电压，因为桥臂在一个周期内轮流导通，保证在输入电压的负半周负载端的电压极性也能保持不变，对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。下图4所示为桥式整流电路。桥式整流电路需要用到四只二极管，当输入电压为正向电压，此时电流经过二极管VD1，然后经过电阻RL，最后流经VD3二极管形成一个完整的回路;当输入电压为反向电压，此时下端电压为正，上端为负，电流经过二极管VD2，到达电阻RL，最后经过VD4二极管形成一个完整的回路。每组两个二极管呈串联结构，共同承受反向峰值电压，因而使电路中每只二极管承受的反向电压比全波整流电路小一半。
如图2，整流电路由桥式整流电路并联连一个二极管D1、电容C1和C2组成，连接在发电机的输出端。其中，D1的作用是防止电流倒流，C1和C2是滤波电容。
2.4 降压电路设计
本设计中使用的发电机在工作时的输出电压为7v，而市面上一般锂电池的电压为3.7v，充电限制电压为4.2v，所以需要对发电机的输出电压进行降压处理。在整流电路与充电装置之间安装一个降压变压器，将电压降为5v，近一步实现本设计的充电要求，保护整体电路。本设计选用AMS1117变压器，它是一个正向低压降稳压器，有质量轻、体积小、效率高等优点。
2.5 充电电路设计
如图2所示，本文设计的充电电路是在整流电路之后连接一个二极管D2，对电压再次进行整流，并且释放易对电路产生损坏的逆向电流。当D2正向导通时，其输入输出两端的电压差值为0.5v-0.7v。因此，可将输入电池的电压降为4.3v。另外，增加的二极管使得电路更加的安全，使用期限更长。给锂电池两端并联了一个电阻和一个LED灯再接入上面电路，用来防止断路时电路被损坏。
3 结论
本设计运用了电磁感应原理将人体机械能转化为电能，采用了发电-整流-降压-充电电路来实现系统设计要求。通过对转速的测试，得到摇杆的转速为43r/min电压基本稳定在7v，无论正传与反转通过整流电路都可以使得整个电路保持通路，在经过AMS1117-5v降压芯片电路，将电压降至稳定的5v，利用二极管的管压降作用（降幅为0.5v-0.7v），将电压降至4.3v，正好可以完成对锂电池的充电作用。本系统受人体自身主观控制，只要有运动就能产生能量，脱离了电源线和充电器的限制，体型小，受限少，可随意移动，可作为随身携带的电能，非常适合人们的使用。
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