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智能应用
0 引言
耐力，有助于保持个人体态健美和协调性，从而达到强身健
体的目的[1]。跳绳运动的配备简单，大多数人用得是普通的跳绳。用完的绳子不好收拾，下次使用，绳子却打结缠绕在一起。为解决绳索自动收缩的问题，同时充分利用绳索转动的能量发电，本文设计了一种能发电储能的多用途自动收缩跳绳。设计的新型跳绳利用电机将绳索自动收回，解决了绳索不好收拾且易缠绕的问题；绳索通过轴与永磁电机相联 接，绳索转动时驱动该电机发电，反过来给该电机供电，就作为绳索回收的驱动电机；利用自身产生并储存的电能，可实现电筒发光、手机充电、报警等多种用途。
1 总体设计
包括：绳索自动收缩模块、发电储能模块、卷绳驱动模块以及多功能模块。在第四部分多功能模块中包含有：充电电路
设计、报警电路设计、照明电路设计和电机切换电路设计。本文设计的能发电储能的多用途自动收缩跳绳包括两
接种棒个手柄和一根绳索，两个手柄的基本结构相似，具体结构如图1所示。手柄内包括微型发电及驱动一体的电机、绳索收缩缠绕部件、LED 灯泡、USB 充电接口、充放电转换电路、
报警按钮及电路等部件。
图1 手柄结构简图和主要部件
总体思路：绳索安装在与微型永磁电机轴固定连接的滚
食用油抗氧化剂筒上。手柄内安装有蓄电池、转换电路和喇叭、USB 充电
口、LED 灯等元器件。手柄外壳上还有滑套和滚筒上凸缘，作为绳索收回时的缠绕导向装置。跳绳时，向下收回滑套，挥动绳索驱动滚筒旋转，滚筒带动永磁电机的转子旋转，使电机进入发电状态，发出的电能通过蓄电池存储起来。跳绳结束需要回收绳索时，向外推出滑套，按动开关使电机通电，
电机带动滚筒旋转，在滑套的导引下滚筒旋转是绳索缠绕在滚筒上，实现绳索的自动收回。蓄电池积蓄的电能向LED 灯泡、USB 充电接口、报警蜂鸣器等通电即可实现相应的照明、手机充电、报警等功能。
2 绳索自动收缩系统设计
能发电储能的多用途自动收缩跳绳内部详细结构如图2
所示。圆柱形手柄上下两半壳体组成，壳体内部有支架用于安装电机、蓄电池、电路等器件；手柄顶部有滑槽安装滑套，滑套套在手柄上部，并由波珠螺丝限制位置。
在绳柄端部安装一个永磁有刷电机（带减速器），在电
机的输出轴上安装一个滚筒，滚筒两端为圆形的凸缘，中间为细长的轴，用于缠绕跳绳；滚筒的下端凸缘直径较小，上端凸缘较大。在绳柄上安装一个可以上下移动的滑套，该滑
套的轴线方向加工一个比较窄的槽形孔。
1-滑套 2-波珠螺丝 3-上壳 4-跳绳收集开关 5- USB 充电接口 6-开关（蜂鸣器） 7-蜂鸣器8-下壳 9-蓄电池 10-电机 11-连接轴 12-轴承 13-卷筒
图2 手柄内部结构图
一种能发电储能的多用途自动收缩跳绳的设计
白宜琳
（西南大学附属中学校，重庆，400700）
摘要：普通的跳绳使用后总是不好收拾和收藏，而且下次使用时容易打结缠绕在一起。本文设计了一种能发电储能的多用途自动收缩跳绳，手柄内包括滑套、卷筒、微型发电及驱动一体的电机、电池、LED灯、USB充电接口、报警装置及电路等部件，绳索通过轴与永磁电机相联接，绳索转动时驱动该电机发电，反过来给该电机供电，作为绳索回收的驱动电机；利用自身产生并储存的电能，可实现电筒发光、手机充电、报警等多种用途。
关键词：跳绳；自动收缩；多用途；发电储能
38 | 电子制作 2019年01月
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在需要收集跳绳时，将滑套上移一段距离和滚筒的上端凸缘配合形成一个空腔。将跳绳一端固定在滚筒的底部，当跳绳结束，按跳绳收集键，电机带动滚筒旋转，将跳绳从滑
套的槽形孔拉入滑套与滚筒的上端凸缘配合形成的空腔中，并缠绕在滚筒上，从而将绳索收回到空腔中。滑套移动到上端位置时，电机的电源线直接接入电池的正负极，跳绳收集键显露出来，按动跳绳收集键时，电机开始转动并收集跳绳。风力发电机叶片设计
滑套移动到下端位置时，电机的电源线接入开关稳压电源的输入端，跳绳时电机被绳索反拖旋转发电，输出的电压经稳压后向蓄电池充电。
3 发电储能电路设计
永磁有刷直流减速电机在发电过程中正反转时，电机的
输出电压的正负是不一样的[2]，而输入到开关稳压电源模块
的电压的正负极是不变的。因此，需要在电机和开关稳压电源模块之间增加换向元件模块，使输入到开关稳压电源模块的电压的极性不变。比较经济的换向元件模块是整流桥，可满足电机正反转时，将输入到开关稳压电源模块的电压极性不变[3]。
图3 Canton-Power 升降压模块
图4 发电储能电路
在跳绳速度为0
～150次/min 时，电机的转速为
0～150r/min 时，输出电压在0～4.6V，而采用的锂电池的充电电压是4.2V，因此，在输出电压低于4.2V，需要将电压升至4.2V；当输出电压高于4.2V 时，需要将电压降至4.2V。如图3 是Canton-Power 生产的升降压模块能满足
该功能，该模块可实现将0.9～5V 的电压转为4.2V 的电压，并且尺寸为32×16×5.8mm，适合在跳绳手柄中安装，因此，选用该模块作为升降压模块。因此，发电储能电路需要整流桥和升降压模块，该部分
电路如图4所示。
4 卷绳驱动电路设计
使用的永磁有刷直流减速电机工作电压为0.6～5V，
使用的锂电池满电压为4.2V，因此，在需要电机拖动卷筒收集跳绳时，可将电机与锂电池直接接通。为操作方便可，在回路中接一个点动开关，在需要卷绳时，按下点动开关，
电机就可工作。
图5 卷绳驱动电路
但当电机长时间堵转，锂电池和电机长时间的大电流工
作，会烧坏电池或电机，甚至烧着跳绳手柄。因此，需要在电机和锂电池构成的回路中增加一个限流元件。为降低成
捕虾机电路图
本，限流元件选用保险管。设计的驱动电路，如图5所示。
二维液相谱5 多功能电路设计
■5.1 充电电路设计
初步测试使用的永磁有刷直流减速电机发现，在输出轴
缘114
转速为0～120r/min 时，输出电压在0～4.3V，不是一个稳定的电压，而采用恒压充电方式时，充电电压需要保持恒定[4]，
因此，要将电机发出的电压稳定到电池的充电电压。 图6 充电电路
开关稳压电源模块使用电子电路调整输出电压，可将输
出电压稳定到需要的电压值[5]。因此，可将电机发出的电经开关稳压电源模块稳压后向蓄电池充电；同时也可将跳绳手
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柄中的电池的电压转化为5V 的手机充电电压，向手机充电。每个绳柄中的电池是3.7V ～4.2V，手机充电需要5V 直流电源，因此，需要做一次升压变换。Eletechsup 模块可满足该功能，设计的电路图，如图6所示。 ■5.2 报警电路设计
蜂鸣器的工作电压越大，其响度越大[6]，蜂鸣器的响度
和工作电压的关系如7图所示。由此，可知要得到高响度的警报声，需要较高的工作电压。绳柄中的电池的电压在3.7V ～4.2V，因此，需要做一次升压变换。Eletechsup 模
块可满足该功能，设计的电路图，如图8
所示。
图7 蜂鸣器声音响度与工作电压关系
图8 报警升压电路
■5.3 照明电路设计
使用的大功率发光二极管的工作电压在3.0-3.4V，电池
的电压为3.7V ～
4.2V，因此，需要在照明电路中加一分压电阻，设计的电路如图9所示。
图9 照明电路
■5.4 电机切换电路设计
发电及驱动切换电路如图10所示。电机处于发电状态
时，电机的两条电源线接在整流桥上；电机处于驱动状态时，电机的两条电源线接在锂电池两端，因此，需要做一个切换电路，在位置开关没有按下时，图中两对触点中最左边触点接通，电机与锂离子电池构成回路，处于驱动状态；在位置
开关按下时，
图中两对触点中最右边触点接通（常开触点），
电机与整流桥，升降压模块等构成回路，处于发电状态。 图10 发电及驱动切换电路
6 总结
设计的能发电储能的多用途自动收回跳绳具备五个功
能：（1）跳绳时，利用绳子的转动驱动电机发电，并用内置的锂电池将电能储存起来，给内置的手电筒供电或给手机充电；（2）跳绳结束，绳索在电机的驱动下主动收缩回
手柄中，需要跳绳时，拉出绳索即可；（3）手柄端面布置LED 灯泡，由内置的锂电池供电，将手柄作为手电筒使用；（4）手柄尾部有USB 充电接口，连接充电线，由内置的锂
电池给手机充电；（5）遇到危险或紧急情况时，按动手柄上的报警按钮，内置的喇叭可发出高分贝的报警声。
参考文献
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