毕业设计（论文）-一种胯关节能量聚集装置的设计与开发.doc

目 录目 录1第1章 绪 论21.1 课题背景21.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景21.1.2能量收集装置的基本知识21.2 胯关节运动能量收集装置的介绍31.2.1基本特性31.2.2 MCS-51单片机的硬件组成结构41.2.3 MCS-51的引脚功能91.3 AT89C51单片机介绍12第2章 系 统 设 计132.1 总体方案设计132.2 硬件电路设计142.2.1电源电路设计142.2.2系统扩展172.2.3监控电路设计212.2.4模拟输入通道设计252.2.5模拟输出通道设计312.2.6开关量的输入、输出的设计352.2.7单片机与PC机之间串行通信362.3 软件设计452.3.1主程序模块452.3.2数据采集、通信模块462.3.3监控模块51致谢52参考文献53 第1章 绪 论1.1 课题背景1.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景1、发电地板：东日本铁路公司定于19日在东京站八重洲北口试验“发电地板”。这种神奇的地板能将乘客走路时产生的能量转换成绿色能源。铁路公司18日向媒体展示了这套装置。这种白色地板铺设在两台检票机之间，利用乘客走过检票口时产生的振动发电。（08年1月）2、充电鞋：日本电信电话公司正在研制一种“充电鞋”，行人可以一边走路，一边发电。这种鞋鞋底内装有水和一个小型发电机。人们穿着这种鞋子行走，鞋底产生的压力使水流动，带动发电机发电。公司发言人天满秀臣说，“发电鞋”发电功率为1.2瓦特，“只要保持行走，发电量足以使iPod运转”。研究人员正努力把发电功率提高到3瓦特，以便给手机充电。（08年10月）3、脚踏发电装置：美国某公共交通公司，在行人拥挤的公共场所，安装一种脚踏发电装置，它上方有一排踏板，当行人脚踏踏板时，与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。技术人员还将20块金属板铺在路面上，在每块板下放置一个储蓄循环水的橡皮容器。当人群或汽车通过以后，橡皮容器内的水压出去，产生高速水流，经过地下通往路边的发电机房，推动水轮机发电。在人群或汽车通过以后，橡皮容器又恢复到原状，水返回窗口准备再次受压。如此循环往复便能不断产生电流，当上百人或一辆5吨重的汽车通过时，可产生7度的电力。1.1.2能量收集装置的基本知识能量收集装置主要是将机械能、风能、热能等转化成电量储存起来为人们所使用。最常见的是把机械能转化为电能，主要是由一定机械装置将原动力元件和小型的发电装置连接起来，再通过整流电路将电量输送到蓄电池中。1.2 胯关节运动能量收集装置的设计内容及需解决的问题1.2.1胯关节运动能量收集装置的设计内容1、从人的行走中获得最大限度的动能；（1）、首先要研究的内容是如何从人的行走中获得能量，经过观察研究，人在行走的过程中，臂关节、肘关节、膝关节和胯关节的运动幅度最大，臂关节和肘关节的运动都属于辅助运动，力度和幅度不是很大，由于人行走时主要依靠腿部的力量和运动，因此我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，而人的大腿处的肌肉比较发达，且人的胯关节运动的幅度要比膝关节的大，从上述的分析中我可以肯定选择胯关节来提供能量是最合理的。（2）、其次要研究的内容是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。、设计有效的机构来产生足够的动能；（1）、上一步得到的摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的内容，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。（2）、发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。发电机也是研究的重要内容，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。、设计合适的动电能转化电路；（1）、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。（2）、贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。1.2.2胯关节运动能量收集装置需解决的问题1、如何从人的行走中获得能量，我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，要解决的关键问题是选择人体的哪一个部位来提供动能。 2、研究的另一个关键问题是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。3、摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的问题，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。4、发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。或者直接产生直流电，这里我们选择直接产生直流电，这样可以节约材料简化装置。5、发电机也是研究的重要问题，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。这里对发电机做了大胆的改进，使它能产生比普通发电机多一倍到两倍的电能。6、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。这里选择化学能贮能。7、贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。8、USB端口的设置也是一个要解决的问题，不同的型号要全面的考虑，尽量扩大该设计的应用范围。1.2.3 拟解决的关键问题1、如何从人的行走中获得能量，我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，要解决的关键问题是选择人体的哪一个部位来提供动能。 2、研究的另一个关键问题是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。3、摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的问题，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。4、发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。或者直接产生直流电，这里我们选择直接产生直流电，这样可以节约材料简化装置。5、发电机也是研究的重要问题，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。这里对发电机做了大胆的改进，使它能产生比普通发电机多一倍到两倍的电能。6、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。这里选择化学能贮能。7、贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。8、USB端口的设置也是一个要解决的问题，不同的型号要全面的考虑，尽量扩大该设计的应用范围。1.2.4 拟采取的技术方案及思路1、从胯关节的运动过程中获得最大限度的能量，胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的，这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、本设计的内部采用二级齿轮加速机构，且使用有创新性设计的双向超越离合器机构能够产生足够的电能。二级齿轮加速机构可以保证发电机的转速达到一定的要求，双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能。3、现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用，动电能的转化电路已不是问题。我采用常用的整流电路就可以解决问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性，设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题，摆杆可以完全缩进该装置内，提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动，摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、我们考虑到人在行走的过程中，腿不会完全的在一个平面内，因此摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、该装置有两种发电方式，一种是在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，更快的发出电能，从而满足人们急需电能时的情况。另一种是传统的方式，即将其放在腰间，由人的行走来产生电能。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。7、如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用，这里需要一个整流电路来解决问题。8、对于如何将电能传送到人们常用的设备中，手机、MP3、MP4等，我们采用多个插槽的方法，有USB插槽有其他万能充样式的插槽，以此来充满不同的需要。9、有的人不习惯用腰带或者有的衣服不需要，这里我们有备用的腰带。10、对于膝部摆杆的固定用小型的带状结构固定。1.2.5研究方案的有效和可行性分析1、将胯关节作为能量收集的部位是可行的，胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的，这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、动电能的转化是可行的，本设计的内部采用二级齿轮加速机构，且使用有创新性设计的双向超越离合器机构能够产生足够的电能。3、电能储存转化电路的设计是可行的，现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用，动电能的转化电路已不是问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性，设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题，摆杆可以完全缩进该装置内，提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动，摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、考虑到人们在急需电能时可能希望更快的得到电能，该装置提供了一种更有效的方式，在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，从而更快的发出电能。1.2.6 特色或创新之处1、现在市场上包括在实验阶段的行走发电装置，主要有发电鞋、膝部发电装置等，它们的共同的缺点是没有将人行走时的动能最大限度的收集起来，发电鞋装置小、力矩短产生的电能有限，膝部发电装置放于膝部并不舒适且人行走时膝部的弯曲是辅助运动，产生的电能也是有限的。胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的。这是本设计的一大创新。2、第二大创新之处是本设计内部的动电能机械转化机构，内部发电机采用双向超越离合器，是同样的摆动力度和幅度下一般发电装置的两到三倍，具体的情况是用双向超越离合器使摆杆摆动的两个方向互不影响各自运动且在惯性的作用下，产生附加的电能，从而产生比普通发电机构多于两倍的电能。3、该装置有两种发电方式，一种是在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，更快的发出电能，从而满足人们急需电能时的情况。另一种是传统的方式，即将其放在腰间，由人的行走来产生电能。1.2.7课题的学术价值或实际应用价值1、实际应用：一、在日常生活中人们散步、跑步的同时可以将人的胯关节运动的动能转化为电能储存起来，并且可以直接给手机、MP3、MP4等日常用品的电池充电。二、在野外考察、科研时，往往因为条件有限无法得到日常使用的交流或直流电源，特别是如果遇到紧急情况而且通信设备却电量不足，此时急需一种方便快捷的获取电能的方法。这时就可以用到胯关节运动能量收集装置了，它可以为简单的通信设备充电，以满足当务之急。2、应用价值：一、胯关节运动能量的收集可以缓解现在人们对电能的需求。二、胯关节运动能量的收集可以为人们的日常生活提供便利，比如说人们可以一边散步一边听音乐而不用担心自己的MP3会没电。三、胯关节运动能量收集装置最大的价值体现在当人们在野外考察探险时可以用此装置产生电能，满足在没有常用充电设备时对电能的需要。第2章 胯关节运动能量收集装置的结构设计2.1胯关节运动能量收集装置的总体方案设计1、总体方案的原理性设计（1）原理性结构：结构本设计的采用二级加速齿轮机构，且使用有创新性设计的双向超越离合器机构能够产生足够的电能。二级齿轮加速机构可以保证发电机的转速达到一定的要求，双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能，二级齿轮加速机构及双向超越离合器机构如图2.1所示。2314原动力齿轮发电机双向超越离合器机构顺时针超越离合器逆时针超越离合器图2.1 二级齿轮加速机构及双向超越离合器机构原理图（2）传动比的计算传动比n=30（3）电机转速的计算电机转速=15其中: n为传动比，人的行走速度为每秒1.5步，每步转动的角度为60度。2、双向超越离合器机构的设计双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能，人行走时，腿做往复的摆动，当腿向前摆动时，逆时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，棘轮又是电机外壳，与发电的磁铁是一体的，这样就可以通过切割磁感线运动使发电机发出电量来，当腿向后摆动时，顺时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，发出电量来。此时，关键之处是，逆时针超越离合器的棘轮由于惯性的原因仍在做逆时针转动，这样双面的棘轮一个做逆时针转动，一个做顺时针转动，这样的相对运动比单独的一个运动多出一倍多的电量。如图2.2所示。逆时针棘轮即电机外壳发电机传动齿轮棘爪顺时针超越离合器图2.2双向超越离合器机构棘爪的设计不需要加弹簧的原因，以逆时针的棘爪棘轮机构为例，当逆时针运动时，由于切向的摩擦力的作用，棘爪外伸，带动棘轮转动；当顺时针运动时，由于切向的摩擦力的作用，棘爪内缩，不带动棘轮轮动。在此，巧妙的运用摩擦力简化了机构。3、发电机内部结构的设计（1）发电机的结构：发电机的两块磁铁异极相对，这样磁感线可以近似的垂直于线圈，有效的做切割磁感线运动，两块磁铁分别与两个电机外壳做反向的相对运动，使线圈更有效的切割磁感线。支撑板线圈垫片磁铁图2.3发电机内部结构（2）直流电机的感应电动势的计算：直流电机的感应电动势为a=其中：P表示磁极对数，这里P=1； N表示电枢绕组的总导体数； 2a为支路数； 为每极的磁通； n表示转子的转速n= =1801)磁通量计算：磁通量=BA磁通密度B=H, 其中为介质的磁导率，单位为（H/m）；空气中0=410-7H/m；H为磁场强度。铝镍钴系永磁材料是目前电机中应用较广的永磁材料。取铝镍钴32，B=1.2特，HC=44千安/米，磁导率为3.2-4.50若不计磁漏则=BA=3.610-7韦2)转子的转速的计算：转子的转速n= =180综上所述, 直流电机的感应电动势为a=5.410V由于采用顺时针和逆时针两种方式的发电机，因此发电量是单一发电机的两倍，又因为采用双向的超越离合装置，由于相对运动的作用可以使发电量提高三到四倍。将两个发电机并联电压相加，即E=3E或4 E=1.6210V-2.1610V。（3）线圈电阻的计算：线圈电阻R=52.5 其中：为电阻率，L为导线长度，S为横截面积。4、二级齿轮加速机构的设计 摇杆是原动件随着人的腿部运动而摆动，带动内齿轮运动，再到小齿轮、大齿轮，由齿轮再到离合器齿轮，通过二级的齿轮加速机构来提高转速，以便能发出更多的电能。离合器齿轮小齿轮内齿轮大齿轮摇杆图2.4二级齿轮加速机构5、胯关节能量收集装置的放置（1）整体放置胯关节的运动过程中获得最大限度的能量，胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的，这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能，其放置方式如图2.4所示。 图2.5 胯关节能量收集装置的放置（2）腰带连接部分内扣式嵌入腰带侧面，保证胯关节能量收集装置能够固定在人的腰部。 图2.6 腰带连接6、两种发电方式该装置有两种发电方式，一种是在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，更快的发出电能，从而满足人们急需电能时的情况。另一种是传统的方式，即将其放在腰间，由人的行走来产生电能。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。如图2.6所示。四指抓握处 图2.7 两种发电方式7、充电电池的放置可以适应各种充电电池，以满足不同充电设备的需要。以下是几种电池的代表，我们看到有的电池的触点在正面，有的电池的触点在侧面。 此处省略NNNNNNNNNNNN字图2.17 USB插头4.1 塑料零件的设计要点4.1.1零件的形状应尽量简单、合理、便于成型在保证使用要求前提下，力求简单、便于脱模，尽量避免或减少抽芯机构。4.1.2 零件的壁厚确定应合理塑料零件的壁厚取决于塑件的使用要求，太薄会造成制品的强度和刚度不足，受力后容易产生翘曲变形 ，成型时流动阻力大 ，大型复杂的零件就难以充满型腔。反之，壁厚过大，不但浪费材料，而且加长成型周期，降低生产率，还容易产生气泡、缩孔、翘曲等疵病。因此制件设计时确定零件壁厚应注意以下几点：1） 在满足使用要求的前提下，尽量减小壁厚；2） 零件的各部位壁厚尽量均匀，以减小内应力和变形。不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题；3） 承受紧固力部位必须保证压缩强度；4） 避免过厚部位产生缩孔和凹陷；5） 成型顶出时能承受冲击力的冲击。4.1.3必须设置必要的脱模斜度为确保制件成型时能顺利脱模，设计时必须在脱模方向设置脱模斜度，其大小与塑料性能、零件件的收缩率和几何形状有关，对于工程塑料的结构件来说，一般应在保证顺利脱模的前提下，尽量减小脱模斜度。4.1.4强度和刚度不足可考虑设计加强筋为满足零件的使用所需的强度和刚度单用增加壁厚的办法，往往是不合理的，不仅大幅增加了零件的重量，而且易产生缩孔、凹痕等疵病，在零件设计时应考虑设置加强筋，这样能满意地解决这些问题，它能提高零件的强度、防止和避免塑料的变形和翘曲。设置加强筋的方向应与料流方向尽量保持一致，以防止充模时料流受到搅乱，降低零件的韧性或影响制件外观质量。4.1.5零件的所有的转角尽可能设计成圆角或者用圆弧过渡4.1.5.1圆角可避免应力集中，提高制件强度在零件的转角处易产生应力集中，在受力或受冲击、振动时会发生破裂，如果成型条件不当或零件结构不合理，则会产生很大的内应力，特别容易产生应力开裂。实验数据证明，当圆角半径小于零件壁厚0.3 倍时应力集中急剧增大，当大于壁厚0.8 倍时，应力集中明显变小。4.1.5.2圆角可有利于充模和脱模对于一些流动性差的塑料或加入填料的塑料，零件设计圆角尤为重要，不仅可改善充模性能，而且可提高零件使用性能。4.1.5.3圆角有利于模具制造，提高模具强度零件上设计了圆角，模具的对应部位也呈圆角，这就增加了模具的坚固性，模具在淬火或使用时不致因应力集中而开裂，因而也增加了模具