利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，包括依次連接的發(fā)電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發(fā)送單元，電源管理單元還與無線發(fā)送單元連接，發(fā)電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側(cè)板和彈性機(jī)構(gòu)，側(cè)板繞彈性機(jī)構(gòu)均勻分布，每個(gè)側(cè)板上都固定有一個(gè)壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機(jī)構(gòu)頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內(nèi)。該開關(guān)能將按壓按鈕時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而給微控制單元和無線發(fā)送單元供電，微控制單元通過無線發(fā)送單元發(fā)送開關(guān)信號(hào)，不需要電池，不需要布局電纜線，環(huán)保節(jié)能。
【專利說明】
利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種無線開關(guān)，具體涉及一種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。無線傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最基本的組成部分，而傳統(tǒng)的傳感器需要市電或者是電池供電。目前絕大部分無線開關(guān)均攜帶的電池，然而電池能量有限，不能滿足長期工作需要。在實(shí)際應(yīng)用中，無線傳感器具有數(shù)量多、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。對(duì)于人員不能直接到達(dá)的某些區(qū)域，很難通過更換電池的方式獲取能量。
[0003 ]壓電陶瓷作為壓電發(fā)電的機(jī)械-電能換能元件，是壓電發(fā)電的核心元件，極化后的壓電陶瓷對(duì)外呈壓電性，壓電發(fā)電利用電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓和電荷，由于壓電發(fā)電裝置相對(duì)于其他發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，使其成為微能源研究的熱點(diǎn)。由于微功率傳感器和控制開關(guān)的功耗很小，因而可以考慮通過壓力振動(dòng)的方式來收集機(jī)械能，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供微功率傳感器和控制開關(guān)使用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，該開關(guān)能將按壓按鈕時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而給微控制單元和無線發(fā)送單元供電，微控制單元通過無線發(fā)送單元發(fā)送開關(guān)信號(hào)，不需要電池，不需要布局電纜線，環(huán)保節(jié)能。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，包括依次連接的發(fā)電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發(fā)送單元，電源管理單元還與無線發(fā)送單元連接，其特征在于:發(fā)電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側(cè)板和彈性機(jī)構(gòu)，側(cè)板繞彈性機(jī)構(gòu)均勻分布，每個(gè)側(cè)板上都固定有一個(gè)壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機(jī)構(gòu)頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內(nèi)。
[0007]進(jìn)一步地，每個(gè)側(cè)板上都固定有兩個(gè)夾板，兩個(gè)夾板將壓電陶瓷片的邊緣夾持。
[0008]進(jìn)一步地，電源管理單元包括依次連接的整流電路、儲(chǔ)能電路和穩(wěn)壓電路。
[0009]進(jìn)一步地，壓電陶瓷片為雙晶圓形壓電陶瓷片或雙晶矩形壓電陶瓷片。
[0010]進(jìn)一步地，彈性機(jī)構(gòu)為彈簧、彈片或發(fā)條。
[0011 ]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0012]按下按鈕時(shí)，帶動(dòng)直齒條向下?lián)舸驂弘娞沾善箟弘娞沾善l(fā)生形變從而產(chǎn)生電能，同時(shí)彈性機(jī)構(gòu)被壓縮，松開按鈕后，彈性機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程中帶動(dòng)直齒條向上擊打壓電陶瓷片，又可以產(chǎn)生電能，電能經(jīng)電源管理單元處理后供微控制單元和無線發(fā)送單元使用，無線發(fā)送單元發(fā)射一個(gè)無線控制信號(hào)控制接收終端(如，智能家居)開啟或關(guān)閉；該無線開關(guān)將按壓按鈕時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，不需要電池，不需要布局電纜線，環(huán)保節(jié)能；壓電陶瓷片均勻布置(可以是左右對(duì)稱、前后對(duì)稱或排列成“十”字形三角形等其它形狀)，使得按下按鈕時(shí)彈性機(jī)構(gòu)受力更平衡，并且多個(gè)直齒條同時(shí)擊打?qū)?yīng)的壓電陶瓷片，發(fā)電效率高。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中電源管理單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例中電源管理單元的原理圖。
[0017]圖中:1-按鈕;2_直齒條;3_側(cè)板;4_夾板;5_壓電陶瓷片;6_彈性機(jī)構(gòu);7_底板;8_整流電路;9-儲(chǔ)存電路;I O-穩(wěn)壓電路;11-發(fā)電單元;12-電源管理單元；13-微控制單元;14-無線發(fā)送單元。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地說明。
[0019]如圖1所示，一種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，包括依次連接的發(fā)電單元11、電源管理單元12、微控制單元13和無線發(fā)送單元14，電源管理單元12還與無線發(fā)送單元14連接，如圖2所示，發(fā)電單元11包括按鈕I和底板7，底板7上固定有豎直的側(cè)板3和彈性機(jī)構(gòu)6，側(cè)板3繞彈性機(jī)構(gòu)6均勻分布，每個(gè)側(cè)板3上都固定有一個(gè)壓電陶瓷片5，按鈕I底部固定有直齒條2，直齒條2固定在彈性機(jī)構(gòu)6頂部，壓電陶瓷片5的邊緣卡在直齒條2的齒槽內(nèi)。
[0020]按下按鈕I時(shí)，帶動(dòng)直齒條2向下?lián)舸驂弘娞沾善?，使壓電陶瓷片5發(fā)生形變從而產(chǎn)生電能，同時(shí)彈性機(jī)構(gòu)6被壓縮，松開按鈕后，彈性機(jī)構(gòu)6恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程中帶動(dòng)直齒條2向上擊打壓電陶瓷片5，又可以產(chǎn)生電能，電能經(jīng)電源管理單元12處理后供微控制單元13和無線發(fā)送單元14使用，無線發(fā)送單元14發(fā)射一個(gè)無線控制信號(hào)控制接收終端(如，智能家居)開啟或關(guān)閉；該無線開關(guān)將按壓按鈕I時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，不需要電池，不需要布局電纜線，環(huán)保節(jié)能;壓電陶瓷片5均勻布置(可以是左右對(duì)稱、前后對(duì)稱或排列成“十”字形三角形等其它形狀)，使得按下按鈕I時(shí)彈性機(jī)構(gòu)6受力更平衡，并且多個(gè)直齒條2同時(shí)擊打?qū)?yīng)的壓電陶瓷片5，發(fā)電效率高。
[0021 ]如圖2所示，在本實(shí)施例中，每個(gè)側(cè)板3上都固定有兩個(gè)夾板4，兩個(gè)夾板4將壓電陶瓷片5的邊緣夾持。
[0022]如圖2所示，在本實(shí)施例中，壓電陶瓷片5為雙晶圓形壓電陶瓷片(還可以是雙晶矩形壓電陶瓷片)。
[0023]如圖2所示，在本實(shí)施例中，彈性機(jī)構(gòu)6為彈簧(還可以是彈片或發(fā)條)。
[0024]如圖3所示，在本實(shí)施例中，電源管理單元12包括依次連接的整流電路8(主要是四個(gè)肖特基二極管)、儲(chǔ)能電路9(主要是若干個(gè)電解電容)和穩(wěn)壓電路10(主要是DC-DC變換器)。壓電陶瓷片5產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是交流電，經(jīng)過整流電路8整流后變成直流電并對(duì)儲(chǔ)能電路9充電，最終由穩(wěn)壓電路10穩(wěn)壓;穩(wěn)壓電路10可以在儲(chǔ)能電路9放電的過程中，產(chǎn)生短時(shí)間的恒定電壓來驅(qū)動(dòng)微控制單元13和無線發(fā)送單元14。
[0025]如圖4所示，為盡可能降低電源管理單元12的損耗，電源管理單元12可以采用LTC3588-1作為電源管理芯片，LTC3588-1內(nèi)部集成了整流電路和穩(wěn)壓電路，十分適合微能源的收集，并且通過設(shè)置相應(yīng)管腳，可以把LTC3588-1的輸出電壓設(shè)為1.8V。
[0026]在本實(shí)施例中，微控制單元13主要由超低功耗的微控制芯片(MSP430)組成，無線發(fā)送單元14主要是由無線發(fā)送芯片(CCllOl)組成，它們的工作電壓較低，最低工作電壓僅為1.8V，兩者通過SPI通訊，可以將按動(dòng)按鈕I所產(chǎn)生的開、關(guān)信號(hào)傳遞給微控制芯片(MSP430)，進(jìn)而通過無線發(fā)送芯片(CCl 101)和發(fā)射天線將信號(hào)傳送出去。微控制芯片(MSP430)在運(yùn)行模式下工作電流可低于230μΑ，無線發(fā)射功率可設(shè)為-1OdBM,這樣使得無線發(fā)送芯片(CCllOl)在發(fā)射狀態(tài)時(shí)的工作電流減少到14mA，減少了能量的消耗，保證了每次能穩(wěn)定的發(fā)射信號(hào)，增加無線發(fā)射單元14的可靠性。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，包括依次連接的發(fā)電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發(fā)送單元，電源管理單元還與無線發(fā)送單元連接，其特征在于:發(fā)電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側(cè)板和彈性機(jī)構(gòu)，側(cè)板繞彈性機(jī)構(gòu)均勻分布，每個(gè)側(cè)板上都固定有一個(gè)壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機(jī)構(gòu)頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，其特征在于:每個(gè)側(cè)板上都固定有兩個(gè)夾板，兩個(gè)夾板將壓電陶瓷片的邊緣夾持。3.如權(quán)利要求1所述的利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，其特征在于:電源管理單元包括依次連接的整流電路、儲(chǔ)能電路和穩(wěn)壓電路。4.如權(quán)利要求1所述的利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，其特征在于:壓電陶瓷片為雙晶圓形壓電陶瓷片或雙晶矩形壓電陶瓷片。5.如權(quán)利要求1所述的利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的自供電無線開關(guān)，其特征在于:彈性機(jī)構(gòu)為彈簧、彈片或發(fā)條。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK205451449SQ201620144547
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月26日
【發(fā)明人】林偉, 文強(qiáng), 劉丁, 劉一丁, 劉榮, 韓家鵬, 湯典艷, 伍玲蒙
【申請人】武漢理工大學(xué)