武永橋

摘 要：在全球無線連接的時代，幾乎沒有什么比讓一個智能手機或移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備保持帶電更重要了。本設(shè)計中，設(shè)計了一種可以快速安裝在山地自行車上的充電裝置，該裝置利用自行車運動時的機械能，通過齒輪傳動帶動一臺小型發(fā)電機工作，可以實現(xiàn)便攜發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過基于單片機GMS97C2051控制的充電電路轉(zhuǎn)換并存儲到鋰電池中，實現(xiàn)快速充電，解決了戶外騎行電源電量不足的問題。

關(guān)鍵詞：移動設(shè)備充電；機械傳動；發(fā)電機；集成電路；鋰電池

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們越來越多的將自行車作為一個娛樂休閑健身的項目，與此同時，還有很多人喜歡騎著自行車到處旅游，而在騎車旅游過程中的用電問題就顯得比較重要，出于對這種情況的考慮，我的想法是在自行車上安裝一個小型發(fā)電機，這個發(fā)電機通過自行車車輪的轉(zhuǎn)動而將動能轉(zhuǎn)化為電能，這個裝置能夠為我們隨身攜帶的用電設(shè)備充電，也可以連接一個發(fā)光裝置來照明，這樣不僅充分的利用了能量，還為我們的騎行提供了方便。

1 設(shè)計思路

經(jīng)過改裝的山地自行車擁有了充電裝置，要設(shè)計自行車的充電裝置，經(jīng)過充分的準(zhǔn)備與資料收集，充電裝置主要設(shè)計四個部分：

1）機械傳動部分：主要進行機械能的傳遞與轉(zhuǎn)換；

2）發(fā)電機部分：主要進行機械能與電能的轉(zhuǎn)換；

3）充放電電路部分：將轉(zhuǎn)換來的電能經(jīng)過基于單片機的集成電路轉(zhuǎn)換為滿足鋰電池充電要求的電能，并為鋰電池進行充電。在移動設(shè)備需要時可通過USB接口為移動設(shè)備充電；

4）鋰電池部分：具有良好充放電性能的鋰電池設(shè)計與選取，是電能的存儲裝置。

2 設(shè)計結(jié)果

2.1 機械傳動部分

機械傳動部分依靠齒輪傳動，為滿足實際需求該齒輪齒寬為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并未依據(jù)齒寬系數(shù)設(shè)計齒輪齒寬，在之后的說明中將會進行齒輪機械強度的校核，在設(shè)計草稿階段已經(jīng)經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)格的校核計算，該傳動件完全滿足所需強度要求。

在圖示的齒輪傳動中，齒輪模數(shù)為1，大齒輪直徑72mm，有72齒，中間的齒輪為惰輪，惰輪的參數(shù)與小齒輪完全相同，僅具有增大傳動距離的作用。

小齒輪直徑徑24mm，齒數(shù)24，最終齒輪傳動的傳動比為1∶3為加速傳動。實現(xiàn)發(fā)電機的正常發(fā)電。

2.2 發(fā)電機部分設(shè)計

發(fā)電機部分采用直流發(fā)電機，發(fā)電平均電壓5V，平均電流1000mA，功率為5W，發(fā)電效率為0.8。由于市場沒有適用于該裝置的小型發(fā)電機，所以關(guān)于發(fā)電機的設(shè)計依據(jù)電磁感應(yīng)定律并參考常用直流發(fā)電機原理與外形進行設(shè)計，該發(fā)電機三維裝配圖具有常用發(fā)電機的所有零件，線圈纏繞采取示意的方法。

該轉(zhuǎn)子線圈纏繞為示意圖，并不代表實際線圈匝數(shù)，從左向右依次為電刷裝置、絕緣套筒、換向器、繞組鐵芯和風(fēng)扇。實際上發(fā)電機非常小，但是依然滿足發(fā)電所需功率，與發(fā)電機連接的是集成電路模塊，將發(fā)電機發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成充電所需電能。

2.3 充電電路部分

充電電路部分主要是由集成電路，單片機GMS97C2501，LM324，TL431和三塊鋰電池組成，充電電路中設(shè)有USB接口，為連接移動設(shè)備充電使用。

2.4 鋰電池的選用

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。

鋰電池的充電原理是：鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物（鋰離子/鋰聚合物電池）、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的“塑膠封袋”鋰離子/ 鋰聚合物電池事實上都是結(jié)合凝膠體和聚合物的混合型電池。

正極或負極必須具有類似海綿的物理結(jié)構(gòu)，以釋放或接收鋰離子。在放電時，鋰離子從負極材料移出至電解液，再像水進入海綿一樣地進入正極材料，這個過程被稱為嵌入（Intercalation）。充電的過程則完全相反。

通過對發(fā)電機各個部分的設(shè)計，從而完成了整個發(fā)電機的設(shè)計問題，具體的組裝圖如下：

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