Paano Sisingilin ang Anumang USB Device sa pamamagitan ng Pagsakay sa Iyong Bisikleta: 10 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Upang magsimula, nagsimula ang proyektong ito noong nakatanggap kami ng isang gawad mula sa Lemelson-MIT Program. (Josh, kung binabasa mo ito, mahal ka namin.)

Ang isang pangkat ng 6 na mag-aaral at isang guro ay pinagsama ang proyektong ito, at napagpasyahan naming ilagay ito sa Instructables sa pag-asang manalo ng isang laser cutter, o kahit isang t-shirt. Ang sumusunod, ay isang pagsasama-sama ng aming pagtatanghal at aking sariling mga personal na tala. Inaasahan kong nasisiyahan ka sa Instructable na ito tulad ng pag-ibig namin. Gusto ko ring pasalamatan si Limor Fried, tagalikha ng MintyBoost circuit. Ginampanan nito ang pangunahing papel sa aming proyekto. Jeff Brookins Banal na Bata InvenTeam Miyembro

Hakbang 1: Ang aming Orihinal na Layunin…

Ang aming orihinal na proyekto ay upang makabuo ng isang produkto na ginamit ang Faraday Principle upang payagan ang mga runner na singilin ang kanilang mga iPod habang tumatakbo sila. Ang konseptong ito ay bubuo ng elektrisidad sa parehong paraan ng mga Faraday flashlight na iyon.

Gayunpaman, nagkaroon kami ng problema. To quote my team mate Nick Ciarelli, "Noong una ay isinasaalang-alang namin ang paggamit ng isang disenyo na katulad sa isa sa mga flashlight na iling at i-convert ito upang ang isang runner ay maaaring i-strap ito para sa isang run at magkaroon ng lakas upang singilin ang kanilang iPod o anumang aparato na kanilang gamitin. Ang flashlight ng shake-up ay nakakakuha ng lakas nito mula sa pakikipag-ugnay ng gumagalaw na magnetikong patlang ng pang-akit sa flashlight at ang likid ng kawad na nakabalot sa tubo na dumulas ang magnet. Ang gumagalaw na patlang na magnet ay sanhi ng paggalaw ng mga electron sa likaw ang kawad, lumilikha ng isang kasalukuyang kuryente. Ang kasalukuyang ito ay pagkatapos ay nakaimbak sa isang baterya, na pagkatapos ay magagamit upang magamit para sa flashlight bombilya / LED. Gayunpaman, kapag kinakalkula namin kung gaano karaming lakas ang makukuha namin mula sa isang takbo, natukoy namin na aabot ng 50-milya na run upang makakuha ng sapat na enerhiya upang mai-charge ang isang baterya ng AA. Ito ay hindi makatuwiran kaya binago namin ang aming proyekto sa system ng bisikleta. " Napagpasyahan namin na gumamit na lang ng isang sistemang naka-mount sa bisikleta.

Hakbang 2: Ang aming Pahayag ng Pag-imbento at Ebolusyon ng Konsepto

Una naming na-teorya ang pag-unlad at pagiging posible ng isang nagbabagong sistema ng pagpepreno para magamit sa mga bisikleta. Ang sistemang ito ay lilikha ng isang mapagkukunang mobile power upang pahabain ang buhay ng baterya ng mga portable electronic device na dala ng rider.

Sa yugto ng pag-e-eksperimento, ang regenerative braking system ay natagpuan na walang kakayahang tuparin ang dalawahang pag-andar nito nang sabay-sabay. Hindi ito maaaring makabuo ng sapat na metalikang kuwintas upang ihinto ang bisikleta, o makabuo ng sapat na lakas upang muling magkarga ang mga baterya. Samakatuwid pinili ng koponan na talikuran ang aspeto ng pagpepreno ng system, na mag-focus lamang sa pagbuo ng isang tuluy-tuloy na sistema ng pagsingil. Ang sistemang ito, sa sandaling itinayo at nasaliksik, ay napatunayan na ganap na may kakayahang makamit ang nais na mga layunin.

Hakbang 3: Magdisenyo ng isang Circuit

Upang magsimula, kailangan naming mag-disenyo ng isang circuit na maaaring kunin ang ~ 6 volts mula sa motor, itago ito, at pagkatapos ay i-convert ito sa 5 volts na kailangan namin para sa USB device.

Ang circuit na aming dinisenyo ay nakakabit sa pagpapaandar ng MintyBoost USB charger, na orihinal na binuo ni Limor Fried, ng Adafruit Industries. Gumagamit ang MintyBoost ng mga baterya ng AA upang singilin ang mga portable electronic device. Ang aming independiyenteng itinayo na circuit ay pinapalitan ang mga baterya ng AA at nagbibigay ng lakas sa MintyBoost. Binabawasan ng circuit na ito ang ~ 6 volts mula sa motor hanggang 2.5 volts. Pinapayagan nito ang motor na singilin ang BoostCap (140 F), na kung saan ay nagbibigay ng lakas sa MintyBoost circuitry. Nag-iimbak ang ultracapacitor ng enerhiya upang patuloy na singilin ang aparato ng USB kahit na ang paggalaw ng bisikleta ay hindi pa galaw.

Hakbang 4: Pagkuha ng Lakas

Ang pagpili ng isang motor ay nagpatunay ng isang mas mapaghamong gawain.

Ang mga mamahaling motor ay nagbigay ng wastong metalikang kuwintas na kinakailangan upang lumikha ng mapagkukunan ng pagpepreno, subalit ang gastos ay ipinagbabawal. Upang makagawa ng isang abot-kayang at mabisang aparato isa pang solusyon ang kinakailangan. Ang proyekto ay muling idisenyo bilang isang tuluy-tuloy na sistema ng pagsingil, sa lahat ng mga posibilidad na ang Maxon motor ay magiging isang mas mahusay na pagpipilian dahil sa mas maliit na diameter nito. Nagbigay din ang Maxon motor ng 6 volts kung saan tulad ng naunang mga motor ay nagbigay sa amin ng 20 volts. Para sa huli ang sobrang pag-init ng motor ay magiging isang malaking isyu. Napagpasyahan naming manatili sa aming Maxon 90, na isang magandang motor, kahit na ang gastos ay $ 275. (Para sa mga nagnanais na buuin ang proyektong ito, ang isang mas murang motor ay sapat.) Inilakip namin ang motor na ito malapit sa likuran ng preno na naka-mount nang direkta sa frame ng bisikleta gamit ang isang piraso ng isang metro stick sa pagitan ng motor at frame upang kumilos bilang isang spacer, pagkatapos hinigpitan ang 2 selyo-clamp sa paligid nito.

Hakbang 5: Mga kable

Para sa mga kable mula sa motor patungo sa circuit maraming mga pagpipilian ang isinasaalang-alang: mga clip ng buaya para sa mock up, cord ng telepono, at wire ng speaker.

Ang mga clip ng buaya ay napatunayan na gumana nang maayos para sa mock up na disenyo at mga layunin sa pagsubok ngunit hindi sapat ang mga ito para sa pangwakas na disenyo. Ang wire ng telepono ay napatunayang marupok, at mahirap na gumana. Sinubukan ang speaker wire dahil sa tibay nito samakatuwid ay naging conductor ng pagpili. Bagaman napadpad ito ng kawad, mas matibay ito dahil sa mas malaking diameter nito. Inilakip lamang namin ang kawad sa frame gamit ang mga zip-kurbatang.

Hakbang 6: Ang Tunay na Circuit

Ang paghawak sa circuitry ang pinakamahirap na hamon ng proseso. Ang kuryente mula sa motor ay unang naglalakbay sa pamamagitan ng isang boltahe regulator na magpapahintulot sa hanggang sa isang tuluy-tuloy na limang amp kasalukuyang; ang isang mas malaking kasalukuyang kaysa sa iba pang mga regulator ay pumasa. Mula doon ang boltahe ay ibinaba sa 2.5 volts na kung saan ay ang maximum na maaaring iimbak ng BOOSTCAP at ligtas na hawakan. Kapag ang BOOSTCAP ay nakakuha ng 1.2 volts, mayroon itong sapat na lakas upang payagan ang MintyBoost na magbigay ng isang 5 volt na mapagkukunan para sa aparato na sisingilin.

Sa mga wire ng pag-input ay nakakabit namin ang isang 5A diode upang hindi kami makakuha ng isang "tinulungan-simulang epekto," kung saan ang motor ay magsisimulang paikutin sa pamamagitan ng paggamit ng nakaimbak na kuryente. Ginamit namin ang 2200uF capacitor upang mapalabas ang daloy ng kuryente sa regulator ng boltahe. Ang voltage regulator na ginamit namin, isang LM338, ay naaayos depende sa kung paano mo ito itinakda, tulad ng nakikita sa aming circuit diagram. Para sa aming mga layunin, ang paghahambing ng dalawang resistors, 120ohm at 135 ohm, na konektado sa regulator ay tumutukoy sa output boltahe. Ginagamit namin ito upang mabawasan ang boltahe mula ~ 6 volts hanggang 2.5 volts. Kinukuha namin ang 2.5 volts at ginagamit ito upang singilin ang aming ultracapacitor, isang 140 farad, 2.5 volt BOOSTCAP na ginawa ng Maxwell Technologies. Pinili namin ang BOOSTCAP dahil ang mataas na kapasidad nito ay magpapahintulot sa amin na humawak ng singil kahit na ang bisikleta ay tumitigil sa isang pulang ilaw. Ang susunod na bahagi ng circuit na ito ay isang bagay na sigurado akong pamilyar kayong lahat, ang Adafruit MintyBoost. Ginamit namin ito upang kunin ang 2.5 volts mula sa ultracapacitor at itaas ito sa isang matatag na 5 volts, ang pamantayan ng USB. Gumagamit ito ng isang MAX756, 5 volt boost converter na isinama sa isang 22uH inductor. Kapag nakakuha kami ng 1.2 volts sa ultracapacitor, magsisimulang mag-output ang MintyBoost ng 5 volts. Pinupunan ng aming circuit ang pagpapaandar ng MintyBoost USB charger, na orihinal na binuo ni Limor Fried, ng Adafruit Industries. Gumagamit ang MintyBoost ng mga baterya ng AA upang singilin ang mga portable electronic device. Ang aming independiyenteng itinayo na circuit ay pinapalitan ang mga baterya ng AA at nagbibigay ng lakas sa MintyBoost. Binabawasan ng circuit na ito ang ~ 6 volts mula sa motor hanggang 2.5 volts. Pinapayagan nito ang motor na singilin ang BoostCap (140 F), na kung saan ay nagbibigay ng lakas sa MintyBoost circuitry. Nag-iimbak ang ultracapacitor ng enerhiya upang patuloy na singilin ang aparato ng USB kahit na ang paggalaw ng bisikleta ay hindi pa galaw.

Hakbang 7: Ang Enclosure

Upang maprotektahan ang circuit mula sa mga panlabas na elemento, kinakailangan ang isang enclosure. Ang isang "pill" ng PVC tubing at end cap ay napili, na may diameter na 6cm at isang haba na 18cm. Habang ang mga sukat na ito ay malaki kung ihahambing sa circuit, ginawa nitong mas maginhawa ang konstruksyon. Ang isang modelo ng produksyon ay magiging mas maliit. Napili ang PVC batay sa tibay, halos perpektong pagsasaayos ng panahon, hugis na aerodynamic, at mababang gastos. Ginawa rin ang mga eksperimento sa mga lalagyan na ginawa mula sa hilaw na carbon fiber na babad sa epoxy. Ang istrakturang ito ay napatunayan na parehong malakas at magaan ang timbang. Gayunpaman, ang proseso ng konstruksyon ay labis na gugugol ng oras at mahirap na makabisado.

Hakbang 8: Pagsubok

Para sa mga capacitor, sinusubukan namin ang dalawang magkakaibang uri, ang BOOSTCAP at isang sobrang kapasitor.

Inilalarawan ng unang grap ang paggamit ng supercapacitor, na isinama sa circuit upang kapag ang motor ay aktibo, sisingilin ang capacitor. Hindi namin ginamit ang sangkap na ito dahil, habang ang supercapacitor ay naningil ng matinding bilis, masyadong mabilis itong naglabas para sa aming mga layunin. Ang pulang linya ay kumakatawan sa boltahe ng motor, ang asul na linya ay kumakatawan sa boltahe ng supercapacitor, at ang berdeng linya ay kumakatawan sa boltahe ng USB port. Ang pangalawang grap ay ang data na nakolekta sa BOOSTCAP ultracapacitor. Ang pulang linya ay kumakatawan sa boltahe ng motor, ang asul ay ang boltahe ng ultracapacitor, at ang berdeng linya ay kumakatawan sa boltahe ng USB port. Pinili naming gamitin ang ultracapacitor sapagkat, tulad ng ipinahiwatig ng pagsubok na ito, ang ultracapacitor ay magpapatuloy na hawakan ang singil nito kahit na huminto na ang paggalaw ng sakay. Ang dahilan para sa pagtalon sa boltahe ng USB ay dahil naabot ng ultracapacitor ang threshold ng boltahe na kinakailangan upang buhayin ang MintyBoost. Ang parehong mga pagsubok na ito ay isinasagawa sa loob ng 10 minuto. Ang rider ay nag-pedal para sa unang 5, pagkatapos ay naobserbahan namin kung paano ang mga boltahe ay tumutugon sa huling 5 minuto. Ang huling larawan ay isang pagbaril ng Google Earth kung saan namin ginawa ang aming pagsubok. Ipinapakita ng larawang ito na nagsimula kami sa aming paaralan, at pagkatapos ay gumawa ng dalawang lap sa Levagood Park para sa isang kabuuang tinatayang distansya na 1 milya. Ang mga kulay ng map na ito ay tumutugma sa bilis ng sumasakay. Ang lilang linya ay humigit-kumulang na 28.9 mph, ang asul na linya 21.7 mph, ang berdeng linya 14.5 mph, at ang dilaw na linya na 7.4 mph.

Hakbang 9: Mga Plano sa Hinaharap

Upang gawing mas mabuhay ang aparato bilang isang produktong consumer, maraming mga pagpapabuti ang dapat gawin sa mga lugar ng pagpapatunay sa panahon, pag-streamline ng circuit, at pagbawas ng gastos. Ang pag-proofing ng panahon ay kritikal sa pangmatagalang pagpapatakbo ng yunit. Ang isang pamamaraan na isinasaalang-alang para sa motor ay upang isulat ito sa isang lalagyan na Nalgene. Ang mga lalagyan na ito ay kilala sa pagiging hindi tinatagusan ng tubig at halos hindi masira. (Oo, nadaanan namin ang isa na may kotse na walang masamang epekto.) Hinanap ang karagdagang proteksyon laban sa mga puwersa ng kalikasan. Ang pagpapalawak ng foam ay tatatak sa yunit, subalit ang materyal ay may mga limitasyon. Hindi lamang mahirap na iposisyon nang maayos, ngunit pipigilan din nito ang bentilasyon na mahalaga sa pangkalahatang pagpapatakbo ng aparato.

Tulad ng sa streamlining ng circuit, isama sa mga posibilidad ang isang multitasking voltage regulator chip at isang pasadyang nakalimbag na circuit board (PCB). Maaaring palitan ng maliit na tilad ang maraming mga regulator ng boltahe, babawasan nito ang parehong laki ng produkto at output ng init. Ang paggamit ng isang PCB ay magbibigay ng isang mas matatag na base dahil ang mga koneksyon ay direkta sa board at hindi lumulutang sa ilalim nito. Sa isang limitadong sukat ito ay kumikilos bilang isang heat sink dahil sa tanso na pagsubaybay sa board. Ang pagbabagong ito ay magbabawas ng pangangailangan para sa labis na bentilasyon at taasan ang buhay ng sangkap. Ang pagbawas ng gastos ay ang pinakamahalaga, at mahirap, ang pagbabago na dapat gawin sa disenyo. Ang circuit mismo ay sobrang mura, subalit ang motor ay nagkakahalaga ng $ 275. Ang isang paghahanap ay isinasagawa para sa isang mas mahusay na gastos sa motor na matutugunan pa rin ang aming mga pangangailangan sa kuryente.

Hakbang 10: Tapusin

Salamat sa pagbabasa ng aming Instructable, kung mayroon kang anumang mga katanungan huwag mag-atubiling magtanong.

Narito ang ilan sa mga larawan mula sa aming pagtatanghal sa MIT.