一种基于转动发电的发电装置及踏频计算方法

技术领域

本发明涉及自行车智能配件技术领域，具体而言涉及一种基于转动发电的发电装置及踏频计算方法。

背景技术

目前自行车的小功率配件，如踏频传感器、速度传感器等需要内置电池来供电。但是，电池通常是一次性电池，用完电后需要立即更换电池，否则不能继续使用；由于不清楚电池的剩余电量，需要随时准备一备用电池，携带不方便，电池用完后丢弃也不环保。同时，踏频传感器内设置有一颗MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器，其输出的噪声比较大，导致计算单圈踏频时误差较大。

发明内容

针对现有技术的种种不足，发明人在长期实践中研究设计出一种基于转动发电的发电装置及踏频计算方法,通过装置自身的旋转运动来发电并给小功率配件供电，还能根据交流电的波形计算出更加准确的踏频大小。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于转动发电的发电装置，安装在会转动的配件上，其包括线圈、导轨架、计算模块和至少一个磁铁；所述线圈的输出端与计算模块电连接，所述线圈安装在导轨架的外侧面，磁铁设置在导轨架的腔体内；配件转动时、线圈和导轨架随着配件转动，磁铁在自身的重力下相对线圈运动，切割磁感线产生交流电，交流电通过线圈输出给计算模块；所述计算模块将交流电整流成直流电并输出供电，还对交流电进行波形提取和模数转换，根据转换获得的数字信号计算踏频的大小。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述线圈是由漆包线按照相同方向绕制而成的多匝线圈，对多匝线圈进行多次折弯，将多匝线圈两头的漆包线伸出作为线圈的2个输出端。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述多匝线圈折弯成由多个半径不同的内外凹凸的半环形组成的线圈环。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述导轨架是中间为空心的管状封闭的圆环滑轨，磁铁设置在导轨架的腔体内并能在导轨架内滚动，线圈紧贴在导轨架的顶面或底面。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述导轨架包括一空心的扇形管状滑轨，所述扇形管状滑轨的内侧设有一支撑杆，所述支撑杆的顶部是圆头的旋转中心，扇形管状滑轨以圆头为圆心转动；至少一个磁铁固定在扇形管状滑轨的腔体内。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述磁铁是直径为8mm的球体或圆柱体；所述导轨架的内侧半径是2cm，外侧半径是3cm。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述计算模块包括整流电路、波形提取电路、ADC转换器和MCU；

所述整流电路将线圈输出的交流电整流成直流电并输出给所接的小功率配件、波形提取电路和MCU供电；

所述波形提取电路对交流电进行波形提取以获得对应的模拟信号；

所述ADC转换器将模拟信号转换为数字信号；

所述MCU根据数字信号计算踏频的大小。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述波形提取电路包括运算放大器、第一二极管、第二二极管、第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻；

所述第一二极管的正极连接线圈的一输出端，第一二极管的负极连接第二二极管的负极和第一电阻的一端，第二二极管的正极连接线圈的另一输出端，第一电阻的另一端连接第二电阻的一端和第三电阻的一端，第二电阻的另一端连接第一电容的一端和第五电阻的一端，第三电阻的另一端连接第四电阻的一端和地，第四电阻的另一端连接第一电容的另一端和第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接第七电阻的一端和运算放大器的同相输入端，第七电阻的另一端输入电压，第六电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端和第八电阻的一端，运算放大器的电源端输入供电电压，运算放大器的地端接地，运算放大器的输出端连接第八电阻的另一端和ADC转换器。

进一步，所述的基于转动发电的发电装置中，所述波形提取电路还包括第九电阻、第二电容和第三电容；

所述第九电阻的一端连接运算放大器的输出端，第九电阻的另一端连接第二电容的一端和ADC转换器，第三电容的一端连接运算放大器的电源端，第二电容的另一端和第三电容的另一端均接地。

本发明实施例第二方面提供了一种采用所述的基于转动发电的发电装置的踏频计算方法，其包括：

将线圈输出的交流电整流成直流电并输出供电；

对交流电进行波形提取以获得对应的模拟信号；

将模拟信号转换为数字信号；

根据数字信号计算踏频的大小。

本发明的有益效果是：

利用磁铁自身的重力、在线圈随着配件转动时，磁铁与线圈产生相对运动而切割磁感应线来发电。使用非常方便，无需备用电池，也无需更换电池，节省了电池的成本并减少了环境污染；不用担心剩余电量不足，能在运动时实现持续的、绿色环保的供电。同时，还能对交流电进行波形提取，获得对应的数字信号后计算踏频的大小，使计算结果更加准确。

附图说明

图1是本发明实施例一中基于转动发电的发电装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一中基于转动发电的发电装置的安装转动示意图；

图3是本发明实施例中线圈的结构示意图；

图4是本发明实施例中导轨架和磁铁的结构示意图；

图5是本发明实施例中导轨架和磁铁的另一结构示意图；

图6是本发明实施例中发电装置的另一结构示意图；

图7是本发明实施例中波形提取电路的电路示意图；

图8是本发明实施例中线圈内产生的电压波形示意图；

图9是本发明实施例中整流后的整流波形示意图；

图10是本发明实施例中踏频计算方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请同时参阅图1和图2，本发明实施例提供的基于转动发电的发电装置安装(如使用橡胶圈绑住)在会转动的配件(如自行车的曲柄5)上，所述发电装置包括线圈1、导轨架2、至少一个磁铁3和计算模块4；所述线圈1的输出端与计算模块4电连接，计算模块4连接小功率配件，所述线圈1固定在导轨架2的外侧面，磁铁3设置在导轨架2的腔体内；配件转动时、线圈1和导轨架2随着配件转动，磁铁3在自身的重力下相对线圈1运动(如图2最右边的箭头所示的方向滚动)，切割磁感线产生交流电，交流电通过线圈1输出给计算模块4；所述计算模块4将交流电整流成直流电并输出供电，还对交流电进行波形提取和模数转换，根据转换获得的数字信号计算踏频的大小。

本实施例利用磁铁自身的重力、在线圈随着配件转动时，磁铁与线圈产生相对运动而切割磁感应线来发电；主要用于对自行车的小功率配件(需要的电压较小)供电，在具体实施时，也可对其他运动设备(如跑步机、室内脚踏车)内部的小功率配件供电。直接对交流电进行波形提取并转换为对应的数字信号，根据数字信号计算踏频的大小，使计算结果更加准确。

请一并参阅图3，所述线圈1是使用0.1mm的漆包线按照相同方向绕制而成的多匝线圈，切割磁感线时会产生电动势。为了增加磁铁3对线圈1的磁感线的切割，多匝线圈绕好后还需进一步进行多次折弯，如折弯成图3所示的多个半径不同的内外凹凸的半环形组成的线圈环(图3中上方的虚线圆框表示一个外凸的半环形，下方的虚线圆框表示一个内凹的半环形，一凹一凸有序排列)，并将多匝线圈两头的漆包线伸出(可拉伸成直线或折弯为任意形状)，作为线圈1的2个输出端(IN1、IN2)以连接计算模块4。不同折弯形状的线圈产生的交流电的频率和幅值也不同，在具体实施时，多匝线圈也可折弯成其他形状，弧度的大小、密度可任意或根据需求调整，此处对其不作限定。漆包线绕制的匝数优选为500匝，匝数越多，发电电压越高。

请一并参阅图4，所述导轨架2是中间为空心的管状的圆环滑轨(如中空的圆环，可采用非磁性材料制成)，导轨架2是封闭的，磁铁3(通常设置一颗磁铁，若有多个会影响磁铁的滑动)设置在导轨架2的腔体内并能在导轨架2内滚动，线圈1紧贴(如胶粘固定或绑住)在导轨架2的顶面或底面，线圈1与导轨架2不在同一平面内，导轨架2安装在会转动的配件上。导轨架2静置不动时，磁铁因为重力原因一直位于导轨架2的腔体内的正下方；当导轨架2随着配件转动时，磁铁刚开始会因为突然的动力随着腔体内壁上移，但因为磁铁3自身的重量，在重力的作用下会朝着腔体内的正下方滑动，滑动过程中即会与线圈1相对运动，即可切割磁感线产生交流电。

在第二实施例中，导轨架也可设置为图5所示的结构，其包括一空心的扇形管状滑轨6，所述扇形管状滑轨6的内侧设有一支撑杆7，所述支撑杆7的顶部是圆头8的旋转中心，即扇形管状滑轨6能以圆头8为圆心转动；至少一个磁铁3(如3个)固定在扇形管状滑轨6的腔体内。如图6所示，可将线圈1固定在配件的表面后再将导轨架放在线圈1的表面，导轨架的圆头8固定在配件的表面且位于线圈1的圆心。支撑杆7的长度与线圈1的半径适配，使扇形管状滑轨6转动时能对线圈1的磁感线进行切割。当线圈1随着配件转动时，因为摩擦力也会带动导轨架转动，导轨架因其内部磁铁的重量以及自身的重量，会在圆头8定位的限定下围绕线圈1的圆心摆动，此时磁铁3不会在腔体内滑动而是随着导轨架来回摆动，即可切割磁感线产生交流电。可设置一个磁铁，也可如图6所示设置3个磁铁(NSN表示3个磁铁对应的极性)，磁铁个数的增加可增加输出电压的峰值。

如图4所示，所述磁铁3可设置为直径d为8mm的球体或圆柱体(计算发电能力时主要看磁场强度和磁铁3的横截面积)，磁场强度为0.2T的强力磁铁。如图4所示，当导轨架2是圆环滑轨时，其内侧半径r1是2cm，外侧半径r2是3cm，磁铁3的滚动半径r大约是2.5cm。当踏频达到45RPM时，磁铁3转动的角速度ω＝45/60×2π≈4.71，磁铁的线速度v＝r×ω≈0.11775m/s，输出电压＝n×B×d×v＝0.0942V，其中，n是线圈匝数(500)，B是磁场强度，d是磁铁3的直径，r是磁铁的滚动半径。若使用4块磁铁，输出电压就可以达到0.378V。这个电压足以使一些低压器件工作。

所述计算模块4包括整流电路41、波形提取电路42、ADC转换器43和MCU44；所述整流电路41将线圈1输出的交流电整流成直流电并输出给所接的小功率配件、波形提取电路和MCU供电；波形提取电路42对交流电进行波形提取以获得对应的模拟信号(ADC转换器43可采集的信号类型)，ADC转换器43将模拟信号转换为数字信号，MCU44根据数字信号计算踏频的大小。

所述整流电路41可采用现有的4个二极管组成的整流桥和DCDC芯片组成，整流桥将将线圈1输出端输出的交流电整流成直流电，通过DCDC芯片将电压稳压成3.3V的供电电压VDD来可给小功率配件、MCU、波形提取电路等供电。

请一并参阅图7，所述波形提取电路42包括运算放大器IC、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8；所述第一二极管D1的正极连接线圈1的一输出端IN1，第一二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极和第一电阻R1的一端，第二二极管D2的正极连接线圈1的另一输出端IN2，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端和第三电阻R3的一端，第二电阻R2的另一端连接第一电容C1的一端和第五电阻R5的一端，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端和地，第四电阻R4的另一端连接第一电容C1的另一端和第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第七电阻R7的一端和运算放大器IC的同相输入端，第七电阻R7的另一端输入REF电压(其电压值等于供电电压VDD的一半)，第六电阻R6的另一端连接运算放大器IC的反相输入端和第八电阻R8的一端，运算放大器IC的电源端输入供电电压VDD，运算放大器IC的地端接地，运算放大器IC的输出端连接第八电阻R8的另一端和ADC转换器43。

其中，第一二极管D1和第二二极管D2用于对线圈输入的交流电进行半波整流，第一电阻R1和第三电阻R3用于分压；第一电容C1、第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6用于对分压后的电压进行低通滤波处理；第四电阻R4和第六电阻R6还与第七电阻R7一起用于计算放大倍数；第二电阻R2和第五电阻R5还与第八电阻R8一起构成的分压电路为运算放大器IC提供参考电压。运算放大器IC将低通滤波后的电压与参考电压进行比较，输出模拟信号OUT，模拟信号的波形如图9所示。

优选地，所述波形提取电路42还包括第九电阻R9、第二电容C2和第三电容C3；所述第九电阻R9的一端连接运算放大器IC的输出端，第九电阻R9的另一端连接第二电容C2的一端和ADC转换器43，第三电容C3的一端连接运算放大器IC的电源端，第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端均接地。

其中，第九电阻R9和第二电容C2组成低通滤波电路，用于对输出的模拟信号OUT进行滤波。第三电容C3用于对运算放大器IC的电源端的供电电压VDD滤波，使运算放大器IC工作更加稳定。

需要理解的是，图7仅示出波形提取电路42的一种电路结构，在具体实施时，还可采用其他电路结构，只要能提取出交流电的波形即可。

本实施例以导轨架2是圆环滑轨为例，请一并参阅图10，基于上述发电装置的踏频计算方法包括：

S100、将线圈输出的交流电整流成直流电并输出供电。

在本步骤之前，当自行车的曲柄5转动时，线圈1和导轨架2随着曲柄5转动，磁铁3在自身的重力下相对线圈1运动，此时线圈内的磁通量就会发生变化，切割磁感线产生交流电，交流电的波形如图8所示。

在本步骤中，整流电路将交流电整流成直流电后，给所接的小功率配件、波形提取电路和MCU供电。

S200、对交流电进行波形提取以获得对应的模拟信号。

S300、将模拟信号转换为数字信号。

S400、根据数字信号计算踏频的大小。

本步骤中，相同速度的磁铁旋转到不同的线圈结构时，产生的交流电幅值和周期不同，如图3中所示的位置A、B、C对应的波形如图8所示。MCU根据数字信号中的数据提取峰值电压，同时计算每个峰值电压的时间点，然后计算出峰值的周期，通过周期的大小判断磁铁从位置C转到位置A，还是从位置A转到位置C，识别正反转。

在计算踏频时，对于既定的绕制完成的线圈，A、B、C的个数是固定，A、B、C中每个波形的个数也是固定的，即每个波形对应的角度是已知，每个波形的峰值的时间间隔可以通过MCU计算，再根据峰值对应的角度和时间间隔即可计算出瞬时踏频，再对多个瞬时踏频求平均值即可得到踏频的大小。

综上所述，本发明提供的基于转动发电的发电装置及踏频计算方法，将磁铁设置在导轨架内，在线圈随着配件转动时，利用磁铁自身的重力使磁铁与线圈产生相对运动，从而切割磁感应线产生交流电，将交流电整流成直流电并输出给所接的小功率配件供电；使用非常方便，无需备用电池，也无需更换电池，节省了电池的成本并减少了环境污染；不用担心剩余电量不足，能在运动时实现持续的、绿色环保的供电。同时，还能对交流电进行波形提取，获得对应的数字信号后计算踏频的大小，使计算结果更加准确。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。