基于压力发电的人行横道设计

王兴伟 关 勇 姜 姗

（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津300222）

近年来随着日新月异的社会不断提高, 环保、绿色的能源逐渐地进入人们的视野中。在不可再生能源的每况愈下的环境中,促使了新能源倍道兼行的产生。身处于这样的环境下，不断的探索新能源是这个时代每一个人的使命, 压力发电就是在这样的大环境下,不断的发展中得到了万众瞩目。压力发电人行横道主要是将行人每一步的行走产生的压力能转化成可以被重新利用的电能,这是在新能源中的又一个里程碑。新能源是否环保的问题已然成为了当代热门话题，现如今新能源如雨后春笋般的涌现，压力发电绝对的是合格的绿色的新能源的产物，在新能源的浪潮中处于举足轻重的地位。

1 系统总体设计

为了倡导开发利用绿色能源，设计利用压力发电的能源共享型人行横道，采用压力发电及齿轮传动原理，当踩踏地面时产生轻微的向下力，向下的力带动内部的储能齿轮旋转，在轮系较大传动比的作用下，使与电机相连接的输出轴达到更高的转速要求，通过电磁感应将动能转为电能储存。所设计模块具有可扩展性和极大的研究意义。设计包括压力智能发电模块、智能分配模块、能源共享型路灯。可实现智能发电、储存分配、能源共享等功能。系统整体结构如图1 所示。通过与地砖相互固定的齿条带动齿轮转动，在轮系较大传动比的作用下，使与发电机相连接的输出轴达到更高的转速产生出电能。基于32 位MCU 的硬件电路设计稳定电压的同时产生逆变输出交直流两种形式电压。将应用到有RGB 点阵组成的斑马线上，道路两旁的路灯，以及在路灯的基础上改进的可以给手机、充电宝等设备充电。

图1 结构简图

2 发电机设计

设计根本是一款发电储能产品，内部包括一个发电机，设计过程中先选择合适的发电机再来确定整体结构。产品是铺设于地面的，主要希望通过人踩踏产生的多余能量来达到储存电能的目的。人的踩踏是一种竖直的直线运动，而发电机的输入端是钢轴的回转运动，需要一个能够直线运动转化成回转运动的机械结构，因此选择了齿轮齿条机构，再此之上添加两组齿轮机构达到变速的目的，以提高发电机输入。

所选用的发电机的三维建模，为了最后整体结构尽可能小而紧凑发电机采用水平放置。发电机输入轴尺寸为φ8mm。为了体积不会过大外壳整体高度不会超出电机高度太多，且能在壳体装上轴承来支持钢轴，外壳厚度选用于轴承厚度相同的数值10mm。为了便于后期加工和观察选择了透明亚克力板作为外壳材料。钢轴选用了于轴承内圈相同数值φ10mm。两组齿轮为了便于计算选择了Z1: Z2=1:2 的比例，按照发电机高度决定齿轮最大直径后，确定模数m=1.25，Z1=24，Z2=48。齿轮组配置。为了便于固定且提高钢轴强度，齿轮采用螺钉固定的台阶齿轮。在输入轴上固定齿轮齿条机构传递动力，为了让踏板在踩踏后能及时返回初始状态，此处的齿轮需要内嵌单向轴承，齿条下配置弹簧以达到目的。在整体轮系后用联轴器与发电机相连接，整体基本构造完成。

3 能量采集和存储电路设计

3.1 电能采集

电能采集部分作为系统的执行部件，其重要性不言而喻。所以电机要选择一定是要非常稳定的, 为了达到更加精准的测量和采集系统电能因此采用，HLW8032 芯片作为电能采集器件。HLW8032 是一款功耗小、可靠性高和适应环境强等优点的电能计量芯片,它采用 互补金属氧化物半导体工艺制造，主要用于单相两线电力应用。同时它还能够测量线电压和电流，并能计算有功功率，视在功率和功率因素。该器件内置频率振荡器、电压参考源和电源监控电路外加光耦隔离电路确保进行串口通信是不会受到影响。

3.2 电能存储

电能存储模块采用的是降压恒压恒流电源模块，该模块的输入电压为4.5V-32V 满足该系统的电压宽度范围，输出电压1V-30V 可调，工作频率可以高达380KHZ 转换率最高为97%，模块具有短路保护、过温保护和反接保护。还可以进行电压电流过流保护和调节如下：恒压调节:跟据自己所需的电压旋动电源板上的“恒压调节”电位器。顺时钟调动(向右转动)电压调低。逆时钟(向左转动)电压升高。恒流调节:在设定电流前，将“过流调节”电位往左调到最大点(默认为最大。一般不需要再调节)用万用表20A 电流档短路输出，调节“恒流调节”电位器调到您需要的电流，顺时钟电流调小，逆时钟电流调大。过流调节:为输出短路而设计，意思是为当输出短路超过所设定的短路电流时，电源关断输出从而保护电源模块和用电设备的损坏。调节方法:先要设定保护点的电流，假如是5A 时保护。用恒流调节方法把输出电流到到5A，然后再去调节“过流调节”电位器(顺时钟旋转)转到输出无电流即可。些时的过流点就是5A。(如果保护点的电流低于设备需要的电流时电源就会保护，建议如果不需要过流保护最好保持默认即可。)

图2 总体流程图

4 结论

本设计通过内部的齿轮传动与发电机相连输出电压利用MCU 硬件电路设计将不稳定的电压转化为稳定电压同时进行逆变并存储。分配到各个需要电的地方，比如路灯、路灯上的手机充电桩以及发光式斑马线。目前在全世界都早已经被普遍的探究比如，在美国、日本和韩国以及欧洲等一些国家的工作人员已经取得了很多项专利、理论研究和产品等研究成果。本设计采用的是一种基于HLW8032 模块的压力发电系统，以降压恒压恒流电源模块为核心的电能采集电路对压电的能量进行采集并存储在18650 锂电池组的电源系统，相对于其他系统来说，本设计采用单片机技术，实行自动转换控制，将不稳定的电能转化成稳定的电能，系统性能稳定可靠，集机械结构、自动控制、色彩分配等多种技术参数为一体，具有实用性及较大研究意义。