带计步功能的自发热鞋

俗话说“寒从脚起”，如果足部保暖不当，轻则引起不适，重则被冻伤。目前市场上的保暖设备因发热量小、持续时间短，尚未得到广泛应用。因此我想设计一种既能让足部保暖，又具有计步功能、储存电能的鞋子。

一、设计原理

带计步功能的自发热鞋由发电储能单元、发热装置、计步装置、信号处理单元和无线传输单元组成，如图1。

发电储能单元根据电磁感应原理发电并存储至蓄电池中，蓄电池再向发热装置和计步装置供电。计步装置使用可充电式蓝牙计步传感器，其设置有信号处理单元和无线传输单元，通过蓝牙与外部终端设备如智能手机交互数据。

1.发电方式的选择

采用磁铁-线圈做切割磁感线运动发电。根据电磁感应原理，当回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势。感应电动势E的大小与磁通量变化的快慢有关。线圈电阻R已知，则感应电动势E=NΔφ/Δt （1）。式中，N为线圈的匝数，Δφ为磁通量的变化，Δt 为变化时间。

线圈中的感应电流I = E/R （2）。 由图2可知，人体行走使磁铁向下运动，回路内的磁通量发生变化，产生感应电动势。改变线圈的匝数便于实现且调节感应电动势，易满足要求。

接着我进行了发电量初计算。采用钕铁硼N35永磁铁，其磁通量为0.4Wb/m2～

0.7Wb/m2；普通人常速步频0.8步～1.2步/s ；以成年人为例，体重多在50kg～70kg，为保证发电量计算的可靠性，取小值50kg。

人体行走的特点是前脚跟着地时，后脚掌还在地上，只有一只脚着地时，脚跟与脚掌同时承载着人体重量。在行走过程中脚跟承受的最大重量至少为人体重的一半，即25kg，约250N。人体行走上下起伏幅度约为4cm，考虑能量损耗，假定有30%的能量转化为电能，弹簧复位，线圈再一次感应发电，共产生两次感应电流。

由公式W=G·h （3）（其中G为人体重，h为人体行走上下起伏幅度），得每步转换的电能为W0=2×（0.3×Gh）=2×0.3×250N×0.04m=6J。

由能量公式P=W/t（4）得发电功率P0=W0（1/v） （v为步频速）。取步频值v=0.9步/s，除去其中的损耗量，功率取整数，则发电功率约为5W。

其发电功率与市面上售卖的发热鞋所配制的电源总功率相当，而计步器的功率又较小，在储能功能存在的情况下，其自发电能满足发热与计步的要求。

2.电路分析

整流电路的输出可通过电容进行滤波。在输入正弦电压的一个周期内，电容器充电两次，放电两次，反复循环。桥式整流电容滤波电路使输出电压波形变得平直，起到滤波的作用。

电池采用类似手机锂电池的设计。对比手机电池，在鞋子条件受限的情况下，该种电池设计容量能达到500mAh，且计步器的耗电远小于手机，能满足使用需求。

令该电池额定电压U为5V，发热功率为5W，可释放的电量为Q=IUt （5）， 得Q=0.5A·h×5V=2.5W·h。由公式 Q= P0 ·t （6）得t =0.5h。

若电池技术提高，其供电性能还会改善许多。

3.发热装置的选择

目前实现对鞋子加热的发热装置有USB发热片、硅胶发热片、云母发热片等，本设计采用的发热装置为碳纤维发热片。它转换率高，具有良好的导热性能，导热系数最高有700W/（m·k），约是铜的1.6倍、铝的2.7倍，用它作为发热装置具有升温迅速等优点。此外，碳纤维发热片也是电性绝缘体，可防止漏电。

4.计步功能

为实现计步功能，设计采用可充电式蓝牙计步传感器，该传感器内设有三个坐标，x轴代表人体左右方向的加速度变化，y轴代表人体前后方向的加速度变化，z轴代表人体竖直方向的加速度变化。行走时，z轴有周期性的变化，通过动态阈值决策算法能检测出运动的单步周期，从而实现计步功能。该传感器还设置有信号处理单元和无线传输单元，凭借外部终端设备如带蓝牙功能的智能手机或平板电脑，可快速方便地读出步行数。

二、设计结果

具体设计方案如图3所示。

鞋底内设有凹槽，鞋垫置于凹槽上方，鞋垫下端的对应位置设有磁铁，对应磁铁的位置固定有感应线圈，形成磁铁与感应线圈的配合，组成发电装置。行走时，磁铁上下做切割磁感线运动产生感应电流，电流经过整流器将电能储存于电容中，电容可给蓄电池充电，蓄电池则给发热装置和计步传感器供电。其中，第二开关控制是否给发热装置供电，而计步传感器设置于鞋面外部棉布缝制的口袋内，第一开关控制是否为其供电。

三、创新点

1.通过电磁感应发电，无需外接电源，节能环保，结构简单。

2.鞋内的弹性件不仅缓冲保护鞋内装置，还具有按摩保健功能。所使用的碳纤维发热片电热转换效率高，连接处均通过密封胶密封，可在雨雪天使用。采用的可充电式蓝牙计步传感器能准确记录步数，有效减少非行走状态下所带来的误差。

3.本设计有两个开关，可手动控制。第一开关控制是否给计步传感器供电，第二开关控制是否给发热装置供电。在非行走状态下，打开第二开关可将行走时所储存的电能供给发热装置从而使鞋内升温。