王　瑩，李　洋*，劉勁夫，劉文星，馮曉宇

(1 東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2 東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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面向工程作業(yè)環(huán)境的一種可充電雙控照明鞋設(shè)計(jì)

王瑩1，李洋1*，劉勁夫2，劉文星2，馮曉宇1

(1 東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2 東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：通過對(duì)工程作業(yè)環(huán)境調(diào)查，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)出一款面向光線較暗工程作業(yè)環(huán)境的實(shí)用性照明鞋。該設(shè)計(jì)通過USB接口充電器和太陽能電池板作為電能來源，存儲(chǔ)于鋰電池中為鞋體LED燈裝置提供電量，使其發(fā)揮照明作用；結(jié)合光控傳感器和壓力傳感器原理，在“較低光照”和“較大壓力”雙重條件作用下，實(shí)現(xiàn)照明鞋體LED燈電路控制，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)光照強(qiáng)度≤80lx，作業(yè)者體重≥25kg時(shí)，可有效控制照明電路開關(guān)；通過模擬試驗(yàn)法確定LED燈型號(hào)，確保LED燈達(dá)到理想的照亮范圍和照明程度。該設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于較暗工程作業(yè)環(huán)境中，作業(yè)者無需手拿照明設(shè)施，即可正常作業(yè)，提高了作業(yè)效率，增加了實(shí)用便捷性。

關(guān)鍵詞：工程作業(yè)；照明鞋；充電；雙控；LED燈

0引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，作業(yè)者常需要在較暗的工程環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，光線不足導(dǎo)致作業(yè)者視線模糊，工作效率低下。本設(shè)計(jì)在日常穿著的普通鞋基礎(chǔ)上，增加照明裝置，實(shí)現(xiàn)鞋的多功能利用。在當(dāng)今市場(chǎng)上，已出現(xiàn)多種發(fā)光鞋，但是均以美觀、炫酷為主，光照度不足缺少照明實(shí)用性。即便存在針對(duì)于照明鞋的研究，但在諸多方面也表現(xiàn)出不足之處，譬如夜光材料[1]，發(fā)出的光太微弱；壓電發(fā)光鞋[2]，電路過于復(fù)雜，難以安裝等。

該設(shè)計(jì)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，從社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，利用太陽能和USB雙結(jié)合的方式給鞋內(nèi)的6V鋰電池進(jìn)行充電，通過壓力、光感雙控系統(tǒng)啟動(dòng)照明，照明燈采用12點(diǎn)式LED燈組，等同于25W白熾燈和6W節(jié)能燈的亮度，同時(shí)鞋體表面采用透氣性良好、防水的材料，增加穿戴的便捷性，有效的解決照明實(shí)用性問題，環(huán)保輕便。

1設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目本著環(huán)保輕便、節(jié)約能源的原則，在充分了解市面上現(xiàn)有的照明鞋的照明原理、供電來源、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用便捷輕便型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該鞋以在較暗的工程作業(yè)環(huán)境中照明為目的，通過USB接口和覆蓋在鞋體側(cè)面的柔性太陽能電池片實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)，并利用鋰電池實(shí)現(xiàn)對(duì)電量的存儲(chǔ)及釋放；之后通過設(shè)置于鞋體上的光控傳感器和壓力傳感器，在“較低光照”和“較大壓力”雙重條件控制下，實(shí)現(xiàn)電路的連通；最后利用升壓穩(wěn)壓電路，提供LED燈充足的電壓，實(shí)現(xiàn)照明功能；同時(shí)通過選用耐潮濕、防水、抗壓性能良好的材料，為在不同工程環(huán)境中作業(yè)做好保證。

該項(xiàng)目對(duì)上述各個(gè)模塊分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬照明鞋在不同環(huán)境中的適應(yīng)情況，記錄數(shù)據(jù)，得到最終的電路圖和簡(jiǎn)易效果圖。

可充電雙控照明鞋研究方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　可充電雙控照明鞋研究方案設(shè)計(jì)Fig.1 Design scheme of double control charging shoes

2設(shè)計(jì)原理

采用太陽能電池板和USB充電雙結(jié)合的方式把電量存儲(chǔ)于鋰電池里，通過光感、壓力雙系統(tǒng)輸出電壓，最后利用升壓穩(wěn)壓電路輸出12V的穩(wěn)定電流和電壓，供LED燈照明使用。通過對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的各個(gè)零部件分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)記錄后，再對(duì)總電路進(jìn)行調(diào)試，初步制作出照明鞋的模型。

2.1充電裝置設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用USB和太陽能雙結(jié)合的方式給鞋內(nèi)的鋰電池進(jìn)行充電，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。

2.1.1USB充電設(shè)計(jì)

照明鞋主要依靠USB充電器對(duì)LED燈實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)。利用USB充電器直接把220V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓供給鋰電池，通過XD6903芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行充電[3-4]，圖2為該型號(hào)芯片USB供電的典型應(yīng)用圖，先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，應(yīng)進(jìn)行預(yù)充電，充電電流大小為設(shè)定電流的1/10，當(dāng)電壓升至3V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20V，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

圖2　USB充電應(yīng)用圖Fig.2 USB charging application graph

2.1.2太陽能電池板充電設(shè)計(jì)

秉持著節(jié)約能源的原則，該項(xiàng)目利用太陽能提供一部分電量。采用NCP1400ASN50T1型號(hào)的太陽能電池為鋰電池進(jìn)行充電[5]，如圖3所示，連接PV太陽能板和電池組電路，順時(shí)針滿旋浮壓設(shè)置可變電阻VR1，LED1變?yōu)榧t色，PV板對(duì)電池組進(jìn)行充電，通過電壓表監(jiān)視電池組電壓，直至達(dá)到充足電的設(shè)置值(5V)；然后反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)VR1，直到LED1紅色和綠色交替亮，再微調(diào)VR1至發(fā)光二極管閃爍，即電池組電壓已達(dá)到充足狀態(tài)。

圖3　NCP1400ASN50T1太陽能電池充電電路Fig.3 Solar battery charging circuit for NCP1400ASN50T1

2.2開關(guān)控制設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目是利用光控繼電器、壓力傳感器構(gòu)成邏輯電路中的“與門”電路，控制鞋體的LED燈電路，啟動(dòng)照明。

2.2.1光控繼電器

用光照強(qiáng)度控制整個(gè)線路的通斷，采用SRD-12VDC-SL-C型號(hào)的光控繼電器，測(cè)試在何種光照強(qiáng)度下，電磁鐵將導(dǎo)電片吸合，電路連通。

首先利用照度計(jì)測(cè)量1000、100、10 lx的光照強(qiáng)度，之后分別在三種不同的光照強(qiáng)度條件下，測(cè)出光控繼電器輸出的電壓與電流，比較其關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。之后利用5V電壓箱，固定輸入端的電壓，測(cè)出在不同光照強(qiáng)度下，光控繼電器輸出的電流，比較其變化情況，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表1　電壓與電流關(guān)系表

表2　光照與電流關(guān)系表

將測(cè)量出的數(shù)據(jù)輸入到型號(hào)為PF1202的電參數(shù)測(cè)量?jī)x中，繪制出電壓、光照與電流關(guān)系曲線，如圖4和圖5所示。

圖4　電壓與電流關(guān)系圖Fig.4 Voltage and current diagram

圖5　光照與電流關(guān)系圖Fig.5 Light and current diagram

由上述曲線圖得出結(jié)論，當(dāng)光照強(qiáng)度≤80lx的時(shí)候，光控繼電器中的電磁鐵將導(dǎo)電片吸合，電路連通。

2.2.2壓力傳感器

電源通過SRD-12VDC-SL-C型號(hào)的光控繼電器將電壓信號(hào)送入型號(hào)為FSR402的薄膜式壓力傳感器模塊的輸入端后，當(dāng)沒有壓力作用時(shí)，輸出端會(huì)輸出近似為零的低電壓，當(dāng)有一定大小的壓力作用時(shí)，輸出端會(huì)輸出近似于5V的波浪形模擬電壓。

通過輸入固定的5V電壓，測(cè)量在不同壓力情況下的輸出電壓值，測(cè)量數(shù)據(jù)見表3，將測(cè)量出的數(shù)據(jù)輸入到型號(hào)為PF1202的電參數(shù)測(cè)量?jī)x中，繪制壓力與電壓關(guān)系曲線，如圖6所示。

表3　壓力與電壓關(guān)系表

圖6　壓力與電壓關(guān)系圖Fig.6 Pressure and voltage diagram

由圖6得出，在作業(yè)者體重≥25kg時(shí)，壓力傳感器的輸出端會(huì)輸出近似于5V的波浪形模擬電壓，電路連通。

綜上所述，當(dāng)光照強(qiáng)度≤80lx，作業(yè)者體重≥25kg時(shí)線路才會(huì)連通，二者結(jié)合有效的起到了雙控開關(guān)的作用。

2.3穩(wěn)壓輸出設(shè)計(jì)

上述壓力傳感器的輸出電壓是波浪形，并且走路過程中由于兩腳受力的交替變化會(huì)導(dǎo)致電壓大小的變化，極其不穩(wěn)定，所以不能直接利用。

基于上述結(jié)論，該項(xiàng)目增加555施密特反向觸發(fā)器進(jìn)行電壓的調(diào)整，電路如圖7所示，將波浪形的電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)邊沿極陡的矩形波信號(hào)[6]，如圖8所示，送入單片機(jī)系統(tǒng)中。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到這一信號(hào)時(shí)，可以立即使輸出引腳由低電壓0V轉(zhuǎn)為高電壓5V，并可以通過編程來實(shí)現(xiàn)30 s的延遲時(shí)間，30 s后輸出引腳自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?，從而解決兩腳交替引起的信號(hào)干擾使LED燈狀態(tài)不穩(wěn)定問題。

圖7　555施密特反向觸發(fā)器電路圖Fig.7 Schmidt reverse trigger circuit diagram of 555

圖8　矩形波信號(hào)Fig.8 Rectangular wave signal

2.4升壓電路和LED燈組設(shè)計(jì)

2.4.1升壓電路

由于單片機(jī)系統(tǒng)輸出的電流較小，不足以提供LED燈組照明，因此采用升壓電路對(duì)電路進(jìn)行整流，通過MH7013升壓芯片[7]實(shí)現(xiàn)，如圖9所示，可將5V的電壓轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)LED燈組照明的12V電壓。

圖9　MH7013升壓電路Fig.9 Booster circuit for MH7013

2.4.2LED燈組設(shè)計(jì)

通過以一個(gè)LED燈[8]功率為1W為標(biāo)準(zhǔn)，分別測(cè)算出1、3、4、8、12W的LED燈的照明亮度，與節(jié)能燈和白熾燈功率相比較的等同結(jié)果見表4。

表4　LED燈、節(jié)能燈、白熾燈功率比較表　W

通過表4得到的比較結(jié)果分析，采用功率為3W的“12點(diǎn)式LED燈組”較為合適，能耗小，亮度大，亮度等同于25W白熾燈和8W節(jié)能燈，可為周圍15 m3左右的范圍提供充足的照明。

2.5外觀材料

三控充電環(huán)保照明鞋內(nèi)部包含電路，考慮到電路保護(hù)問題，鞋面內(nèi)部與電路接觸部分采用抗震且透氣性良好的海綿層，鞋面采用防水、輕便、抗腐蝕和老化的PU面，價(jià)格便宜，品種多樣；在鞋體的底部，考慮到需要安裝壓力傳感器，采用富有彈性并且輕薄的橡膠底，能夠使壓力傳感器輕易感受到人體重量的變化情況。

3結(jié)束語

該設(shè)計(jì)選擇日常生活中常見的鞋為研究對(duì)象，針對(duì)在較暗工程環(huán)境作業(yè)需要，作業(yè)者可以不用手拿照明設(shè)施，僅依靠鞋體發(fā)出的燈光滿足照明需求。利用太陽能和USB雙結(jié)合的方式給鞋內(nèi)的鋰電池進(jìn)行充電，通過壓力、光感雙控系統(tǒng)啟動(dòng)12點(diǎn)式LED燈組進(jìn)行照明。解決了現(xiàn)有發(fā)光鞋以美觀、炫酷為主，缺少照明實(shí)用性問題，實(shí)現(xiàn)在較暗的工程作業(yè)環(huán)境中，依靠鞋的照明功能，作業(yè)者雙手可以正常作業(yè)，有效提高了工作效率，增加了便捷性。

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Design of Engineering-Oriented Double Control Charging Shoes

Wang Ying1，Li Yang1*，Liu Jinfu2，Liu Wenxing2，F(xiàn)eng Xiaoyu1

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2 College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：Through the investigation of the engineering environment，combined with the current market demand，lighting shoes were designed for low-light environment.The design via the USB interface charger and solar panels will provide electrical energy，and store energy in the lithium battery for the LED lamp，playing the role of lighting；using optically controlled sensors and pressure sensors，in the “l(fā)ow light” and “high pressure” double conditions，the lighting LED circuit control for shoes can be realized.The experiment showed that when light intensity was less than or equal to 80lx and the operator’s weight was more than or equal to 25kg，the switch of the lighting circuit can be effectively controlled.The simulation test method was used to determine led lamp type and ensure that LEDd lamp to achieve the ideal range of lighting and lighting levels.The design can be widely used in low-light working environment，and the operator doesn’t need to hold the lighting facilities，which can improve the work efficiency and increase the practical convenience.

Keywords：engineering operation；lighting shoes；charging；double control；LED lamp

中圖分類號(hào)：TU 899

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)03-0053-04

*通信作者：李洋，博士，副教授。研究方向：物流工程。

作者簡(jiǎn)介：第一王瑩，本科生。研究方向：物流工程。E-mail：lynefu2003@163.com

基金項(xiàng)目：2015年度大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目

收稿日期：2015-12-11

引文格式：王瑩，李洋，劉勁夫，等.面向工程作業(yè)環(huán)境的一種可充電雙控照明鞋設(shè)計(jì)[J].森林工程，2016，32(3)：53-56.