工作阻力可調(diào)的自行車發(fā)電器接口電路的設(shè)計

高紹騰，曹自平，張金婭

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

工作阻力可調(diào)的自行車發(fā)電器接口電路的設(shè)計

高紹騰，曹自平，張金婭

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003)

自行車發(fā)電技術(shù)順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展的趨勢，并且該技術(shù)也逐漸成熟。但是目前的發(fā)電設(shè)備由于發(fā)電機受車輪轉(zhuǎn)速的影響較大，導(dǎo)致騎行費力而無法推廣。討論并設(shè)計了一種工作阻力可調(diào)的電路裝置，通過MSP430低功耗單片機采集外部能量信息來控制發(fā)電設(shè)備進行開閉調(diào)節(jié)。根據(jù)騎行者不同的體力狀態(tài)來調(diào)整發(fā)電裝置所產(chǎn)生的負荷，以減輕使用者的負擔(dān)。經(jīng)過理論驗證和大量測試，結(jié)果表明本裝置可以實現(xiàn)自由調(diào)節(jié)自行車發(fā)電設(shè)備的負荷。

自行車發(fā)電；低功耗；能量采集；負荷調(diào)節(jié)

0 引言

隨著環(huán)境惡化嚴(yán)重，環(huán)保問題的日益突出，人們對科技關(guān)注的重點逐漸集中到可持續(xù)發(fā)展方面。如今各個行業(yè)發(fā)展迅速，尤其在交通方面，雖然新型節(jié)能環(huán)保交通工具受到較大關(guān)注，但自行車仍然扮演重要的角色。

目前自行車發(fā)電技術(shù)難以得到較大的推廣，其中最重要的原因之一就是發(fā)電設(shè)備會造成一定的工作阻力。除了自行車發(fā)電設(shè)備之外，目前還有各種人力發(fā)電裝置，比如手搖發(fā)電器、發(fā)電跑步機、發(fā)電背包、發(fā)電鞋、拉線式發(fā)電器等。需要指出的是，當(dāng)人們利用這些人力發(fā)電裝置時，都會使人額外增加一定的負荷，從而消耗一定的體力[1]。考慮到這些發(fā)電裝置的使用者存在著體力差別，即便是同一使用者在不同的身體狀態(tài)下也存在體力差別[2]，因此若使用者希望人力發(fā)電裝置的使用負載能與自己的體力相匹配，則往往需要改變發(fā)電裝置對人體所產(chǎn)生的負荷[3]。

本文設(shè)計的電路裝置針對自行車發(fā)電設(shè)備的工作阻力進行負荷調(diào)節(jié)，通過對采集的電壓信號進行分析，使發(fā)電裝置與其使用者的體力相匹配[4]，既節(jié)省體力又可以最大限度地采集外部能量，最后發(fā)電機通過穩(wěn)壓電路為控制芯片進行供電。經(jīng)過實驗測試證明，本文針對自行車發(fā)電設(shè)備設(shè)計的工作阻力可調(diào)電路能夠根據(jù)使用者體力情況來靈活選擇檔位，在高效發(fā)電的同時又能保留體力，更符合人體生理特性[5]。

1 硬件設(shè)計與構(gòu)成

1.1系統(tǒng)總體的設(shè)計原理和方法

當(dāng)發(fā)電裝置給能量存儲單元或用電設(shè)備等負載供電時，供電電流會在發(fā)電機線圈中產(chǎn)生感應(yīng)磁場，成為阻礙發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的阻力，大大加重裝置使用者本身所需的體力，從而可能影響人的正?；顒?，給使用者造成不便[6]。

為了使裝置能夠較為輕松地承受供電電流在發(fā)電機中所產(chǎn)生的阻力，可以適當(dāng)斷開電路，減小發(fā)電電機的工作時間從而減小電流、減小阻力，消除使用者的負擔(dān)[7]。電路的設(shè)計原理框圖如圖1所示。用戶通過電阻型旋鈕改變外部的分壓，單片機通過AD采集之后向開關(guān)控制電路發(fā)出不同占空比的脈沖(PWM波)，采用PWM驅(qū)動的方式減少功率損耗[8]，在不同的旋轉(zhuǎn)位置下開關(guān)控制電路的通斷時間不同，電機的阻力也就不同。用戶可根據(jù)自身體力狀況通過旋鈕來選擇一個合適的位置。

圖1 系統(tǒng)電路的設(shè)計框架

1.2PWM調(diào)控

脈寬調(diào)制PWM可以控制電機兩端電壓的通斷占空比，而不同的占空比可以改變電樞端的電壓值。為了控制占空比的時間不影響電機的工作狀態(tài)，本文采用了定頻調(diào)寬的方法。文中MSP430單片機根據(jù)外部采集到的電壓產(chǎn)生不同的PWM信號，如圖2所示，輸入到開關(guān)控制電路中用來調(diào)控電機通斷時間的占空比，達到調(diào)節(jié)負荷的能力，改變后的電壓如式(1)所示:

圖3 自供電電路

(1)

其中，αT為占空比，在PWM信號調(diào)控之前電機兩端電壓為Ud。

圖2 PWM調(diào)控輸出電壓波形

1.3自供電電路設(shè)計

為了減小裝置的體積以及更好地利用外部能量，減少資源的浪費，本電路又設(shè)計了自供電電路用來給主控芯片進行供電。裝置跟隨發(fā)電機進行工作，當(dāng)發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動，裝置便停止工作，提高了芯片和工作電路的使用壽命。

自供電電路部分的核心芯片采用TI公司的TPS63060降壓-升壓芯片。TPS6306x器件基于一個使用同步整流的固定頻率、脈寬調(diào)制控制器以獲得最高效率。在低負載電流情況下，此轉(zhuǎn)換器進入省電模式以在寬負載電流范圍內(nèi)保持高效率。輸出電流可升高至 2 A并將電壓放電至 5 V或者更低。

TPS63060輸出的電壓是500 mV，輸出電壓公式如式(1)表示，選擇合適的電阻即可匹配相應(yīng)的輸出電壓。本裝置選擇的電阻R1、R2的阻值分別為5 kΩ和1 kΩ，使輸出在3.3 V左右，滿足裝置需要。

(2)

式(2)中，R1R2為分壓電阻；VOUT為輸出電壓；VFB是引腳FB的固定電壓。

自供電電路的整體穩(wěn)壓電路的設(shè)計如圖3所示。發(fā)電機產(chǎn)生的電壓經(jīng)過整流橋變換之后輸入到tps63060中進行穩(wěn)壓，產(chǎn)生的電壓可以直接為芯片或其他負載進行供電。

1.4開關(guān)控制電路的設(shè)計

該負荷調(diào)節(jié)電路通過單片機采集用戶選擇信息并通過開關(guān)控制電路來調(diào)節(jié)負載。其中，開關(guān)控制電路的核心芯片采用TI推出的低功耗雙單刀模擬開關(guān)TS5A23157，其具有可防止兩個信號源意外連接的特定先斷后接開關(guān)、較低的電荷注入以及較低的總諧波失真 (0.01%)。不僅能夠提供低功耗與高速率，而且能夠保持出色的信號完整性。

電路設(shè)計如圖4所示，TS5A23157具有兩路的信號輸入與信號輸出，通過單片機采集電壓而產(chǎn)生的不同占空比信號從通道IN1輸入，COM1輸出，之后接入到負載電路中，形成不同的通斷時間從而控制減小發(fā)電機的電流。

如圖4所示，MSP430單片機通過P1.0采集旋轉(zhuǎn)按鈕上的分壓，經(jīng)過處理之后從P1.6發(fā)出不同的占空比信號，最后輸入到芯片TS5A23157的IN1引腳上，把TS5A23157的輸出口COM1直接接入到負載電路中，即可控制負載電路的通斷時間。

圖4 芯片電路的接口示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本電路的主控芯片采用TI公司的MSP430G2553單片機，程序采用C語言進行編寫，分為主任務(wù)和中斷子任務(wù)，主任務(wù)主要負責(zé)時鐘初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化等，中斷子任務(wù)負責(zé)AD循環(huán)采集，并在多次采集之后求出平均值，最后轉(zhuǎn)換成占空比輸出。程序的設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 主任務(wù)和中斷任務(wù)的流程圖

3 系統(tǒng)整體測試

為了更好地檢測本設(shè)計的性能，更準(zhǔn)確地描述本負荷調(diào)節(jié)電路的特性，本文針對不同轉(zhuǎn)速、不同旋轉(zhuǎn)檔位、不同占空比等各個方面進行了詳細的測試，并進行比較分析。

3.1不同檔位產(chǎn)生的占空比

測試電路以簡單的LED電路為負載，供電電壓為3.3 V，測出不同檔位下的電壓電流，可以隨時觀察出開關(guān)控制電路對發(fā)電量的影響。旋轉(zhuǎn)電位器采用的是C型對數(shù)式電位器，可旋轉(zhuǎn)范圍在0°～300°。在開始轉(zhuǎn)動時，電阻值變化轉(zhuǎn)小，而在轉(zhuǎn)角越接近最大阻值一端時，阻值變化越大，阻值按旋轉(zhuǎn)角度依對數(shù)關(guān)系變化。這種型式電位器多用在儀表當(dāng)中。

當(dāng)旋鈕檔位從開始旋轉(zhuǎn)到最后時，由于分壓值時刻在變化，單片機采集其分壓所輸出的占空比也一直在變化，通過示波器觀察其變化情況，如圖6所示。

從示波器上波形圖可以觀察到，當(dāng)旋鈕的旋轉(zhuǎn)檔位不同時，單片機會產(chǎn)生不同占空比的脈沖信號，把此脈沖信號輸入到開關(guān)控制電路中用來控制發(fā)電機的發(fā)電量。

圖6 旋鈕不同檔位出現(xiàn)的占空比

圖7 不同速度下力矩隨占空比的變化圖

3.2不同占空比對力矩的影響

為了準(zhǔn)確測試不同占空比對力矩的影響，本文采用力矩測試儀測出當(dāng)前速度下的力矩大小。本測試過程中，保持負載為10 Ω不變，按照自行車車速分別為20 km/h和6 km/h，發(fā)電機所對應(yīng)轉(zhuǎn)速為5 r/s和1.67 r/s，分別繪制出兩種速度下不同占空比對力矩影響的折線圖，如圖7所示(占空比分別調(diào)到1/5、1/4、1/3、1/2和1)。

3.3不同占空比信號對發(fā)電量的影響

發(fā)電機空載的輸出電壓穩(wěn)定在5 V，當(dāng)負載固定為10 Ω 時，發(fā)電機的電壓跟隨輸入信號占空比的變化如圖8所示，三種占空比信號依次為0%、50%、90%時，得到的輸出電壓分別為4.6 V、2.6 V和0.4 V。

圖8 3種占空比信號對發(fā)電量的影響

從圖8中可以看出，本設(shè)計中的調(diào)節(jié)電路可以明顯改變電機的發(fā)電量。

此外，整個占空比信號的周期經(jīng)過示波器測量為1 ms，通斷的周期極短，因此本電路的工作狀態(tài)對自行車的正常騎行幾乎不會造成任何影響。

4 結(jié)束語

從上述實驗結(jié)果得出，自行車發(fā)電設(shè)備在不同的騎行速度下會產(chǎn)生相對應(yīng)的阻力。而當(dāng)用戶在自行車的負載電路中使用本裝置時，可以使負載電路的負荷量實現(xiàn)自由調(diào)節(jié)。騎行者可以自由選擇適合自己體力狀態(tài)的負荷量，較大地減輕自身負擔(dān)。

[1] 韓磊.基于單兵人體發(fā)電裝置的研究[D].太原：中北大學(xué)，2015.

[2] 尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設(shè)計[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 劉紅俊，陳定方，陶孟侖,等.壓電式振動能量采集器的響應(yīng)特性與實驗研究[J].機械設(shè)計與研究，2015(6):28-30.

[4] 馬新芳.便攜式設(shè)備電源管理研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2008.

[5] KIM D G，YUN S N，HAM Y B，et al.Energy harvesting strategy using piezoelectric element driven by vibration method[J].Wireless Sensor Network，2010，2(2):100-107.

[6] ABDI H，MOHAJER N，NAHAVANDI S.Human passive motions and a user-friendly energy harvesting system[J].Journal of Intelligent Material Systems & Structures，2014，25(8):923-936.

[7] 李加杰，李俊，高振宇,等.帶隔離電源的電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計及分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(10):103-104.

[8] Chen Renwen，Ren Long，Xia Huakang，et al.Energy harvesting performance of a dandelion-like multi-directional piezoelectric vibration energy harvester[J].Sensors & Actuators A Physical，2015，230:1-8.

Design of interface circuit for bicycle generator with adjustable working resistance

Gao Shaoteng, Cao Ziping, Zhang Jinya

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Bicycle generating technology conforms to the trend of sustainable development，and becomes gradually mature.However，it is difficult to promote this technology，because the generators are greatly affected by the wheel speed，which brings more resistance to riding.A load-regulating circuit device is discussed and designed in this paper.The MSP430 microcontroller is in the charge of collecting the external energy information and controlling regulation of the power generation equipment.By means of the load adjustment，the generator will accommodate to the different physical conditions of user and reduce the burden.This generator equipment has been verified through theory and multiple experiments.The experimental results show that the bicycle generating equipment can adjust the load of itself under different circumstance.

bicycle generation; low-power consumption; energy collection; load adjustment

TM381

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.028

高紹騰，曹自平，張金婭.工作阻力可調(diào)的自行車發(fā)電器接口電路的設(shè)計J.微型機與應(yīng)用，2017,36(21)：96-99.

2017-06-12)

高紹騰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：能量采集與嵌入式。

曹自平(1974-)，男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：能量自維護的物聯(lián)網(wǎng)及綠色無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

張金婭(1977-)，女，碩士，實驗師，主要研究方向：環(huán)境能量采集技術(shù)。