利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，包括依次连接的发电单元、电源管理单元、微控制单元和无线发送单元，电源管理单元还与无线发送单元连接，发电单元包括按钮和底板，底板上固定有竖直的侧板和弹性机构，侧板绕弹性机构均匀分布，每个侧板上都固定有一个压电陶瓷片，按钮底部固定有直齿条，直齿条固定在弹性机构顶部，压电陶瓷片的边缘卡在直齿条的齿槽内。该开关能将按压按钮时的机械能转换成电能，从而给微控制单元和无线发送单元供电，微控制单元通过无线发送单元发送开关信号，不需要电池，不需要布局电缆线，环保节能。
【专利说明】
利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种无线开关，具体涉及一种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关。
【背景技术】
[0002]物联网技术在智能家居领域的不断发展，无线传感器网络节点得到了越来越广泛的应用。无线传感器是无线传感器网络节点最基本的组成部分，而传统的传感器需要市电或者是电池供电。目前绝大部分无线开关均携带的电池，然而电池能量有限，不能满足长期工作需要。在实际应用中，无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点。对于人员不能直接到达的某些区域，很难通过更换电池的方式获取能量。
[0003 ]压电陶瓷作为压电发电的机械-电能换能元件，是压电发电的核心元件，极化后的压电陶瓷对外呈压电性，压电发电利用电陶瓷的正压电效应产生电压和电荷，由于压电发电装置相对于其他发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，使其成为微能源研究的热点。由于微功率传感器和控制开关的功耗很小，因而可以考虑通过压力振动的方式来收集机械能，并将机械能转化为电能，供微功率传感器和控制开关使用。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，该开关能将按压按钮时的机械能转换成电能，从而给微控制单元和无线发送单元供电，微控制单元通过无线发送单元发送开关信号，不需要电池，不需要布局电缆线，环保节能。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:
[0006]—种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，包括依次连接的发电单元、电源管理单元、微控制单元和无线发送单元，电源管理单元还与无线发送单元连接，其特征在于:发电单元包括按钮和底板，底板上固定有竖直的侧板和弹性机构，侧板绕弹性机构均匀分布，每个侧板上都固定有一个压电陶瓷片，按钮底部固定有直齿条，直齿条固定在弹性机构顶部，压电陶瓷片的边缘卡在直齿条的齿槽内。
[0007]进一步地，每个侧板上都固定有两个夹板，两个夹板将压电陶瓷片的边缘夹持。
[0008]进一步地，电源管理单元包括依次连接的整流电路、储能电路和稳压电路。
[0009]进一步地，压电陶瓷片为双晶圆形压电陶瓷片或双晶矩形压电陶瓷片。
[0010]进一步地，弹性机构为弹簧、弹片或发条。
[0011 ]本实用新型的有益效果是:
[0012]按下按钮时，带动直齿条向下击打压电陶瓷片，使压电陶瓷片发生形变从而产生电能，同时弹性机构被压缩，松开按钮后，弹性机构恢复到初始状态的过程中带动直齿条向上击打压电陶瓷片，又可以产生电能，电能经电源管理单元处理后供微控制单元和无线发送单元使用，无线发送单元发射一个无线控制信号控制接收终端(如，智能家居)开启或关闭；该无线开关将按压按钮时的机械能转换成电能，不需要电池，不需要布局电缆线，环保节能；压电陶瓷片均匀布置(可以是左右对称、前后对称或排列成“十”字形三角形等其它形状)，使得按下按钮时弹性机构受力更平衡，并且多个直齿条同时击打对应的压电陶瓷片，发电效率高。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型实施例的结构框图。
[0014]图2是本实用新型实施例中发电单元的结构示意图。
[0015]图3是本实用新型实施例中电源管理单元的结构框图。
[0016]图4是本实用新型实施例中电源管理单元的原理图。
[0017]图中:1-按钮;2_直齿条;3_侧板;4_夹板;5_压电陶瓷片;6_弹性机构;7_底板;8_整流电路;9-储存电路;I O-稳压电路;11-发电单元;12-电源管理单元；13-微控制单元;14-无线发送单元。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地说明。
[0019]如图1所示，一种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，包括依次连接的发电单元11、电源管理单元12、微控制单元13和无线发送单元14，电源管理单元12还与无线发送单元14连接，如图2所示，发电单元11包括按钮I和底板7，底板7上固定有竖直的侧板3和弹性机构6，侧板3绕弹性机构6均匀分布，每个侧板3上都固定有一个压电陶瓷片5，按钮I底部固定有直齿条2，直齿条2固定在弹性机构6顶部，压电陶瓷片5的边缘卡在直齿条2的齿槽内。
[0020]按下按钮I时，带动直齿条2向下击打压电陶瓷片5，使压电陶瓷片5发生形变从而产生电能，同时弹性机构6被压缩，松开按钮后，弹性机构6恢复到初始状态的过程中带动直齿条2向上击打压电陶瓷片5，又可以产生电能，电能经电源管理单元12处理后供微控制单元13和无线发送单元14使用，无线发送单元14发射一个无线控制信号控制接收终端(如，智能家居)开启或关闭；该无线开关将按压按钮I时的机械能转换成电能，不需要电池，不需要布局电缆线，环保节能;压电陶瓷片5均匀布置(可以是左右对称、前后对称或排列成“十”字形三角形等其它形状)，使得按下按钮I时弹性机构6受力更平衡，并且多个直齿条2同时击打对应的压电陶瓷片5，发电效率高。
[0021 ]如图2所示，在本实施例中，每个侧板3上都固定有两个夹板4，两个夹板4将压电陶瓷片5的边缘夹持。
[0022]如图2所示，在本实施例中，压电陶瓷片5为双晶圆形压电陶瓷片(还可以是双晶矩形压电陶瓷片)。
[0023]如图2所示，在本实施例中，弹性机构6为弹簧(还可以是弹片或发条)。
[0024]如图3所示，在本实施例中，电源管理单元12包括依次连接的整流电路8(主要是四个肖特基二极管)、储能电路9(主要是若干个电解电容)和稳压电路10(主要是DC-DC变换器)。压电陶瓷片5产生的感应电压是交流电，经过整流电路8整流后变成直流电并对储能电路9充电，最终由稳压电路10稳压;稳压电路10可以在储能电路9放电的过程中，产生短时间的恒定电压来驱动微控制单元13和无线发送单元14。
[0025]如图4所示，为尽可能降低电源管理单元12的损耗，电源管理单元12可以采用LTC3588-1作为电源管理芯片，LTC3588-1内部集成了整流电路和稳压电路，十分适合微能源的收集，并且通过设置相应管脚，可以把LTC3588-1的输出电压设为1.8V。
[0026]在本实施例中，微控制单元13主要由超低功耗的微控制芯片(MSP430)组成，无线发送单元14主要是由无线发送芯片(CCllOl)组成，它们的工作电压较低，最低工作电压仅为1.8V，两者通过SPI通讯，可以将按动按钮I所产生的开、关信号传递给微控制芯片(MSP430)，进而通过无线发送芯片(CCl 101)和发射天线将信号传送出去。微控制芯片(MSP430)在运行模式下工作电流可低于230μΑ，无线发射功率可设为-1OdBM,这样使得无线发送芯片(CCllOl)在发射状态时的工作电流减少到14mA，减少了能量的消耗，保证了每次能稳定的发射信号，增加无线发射单元14的可靠性。
[0027]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，包括依次连接的发电单元、电源管理单元、微控制单元和无线发送单元，电源管理单元还与无线发送单元连接，其特征在于:发电单元包括按钮和底板，底板上固定有竖直的侧板和弹性机构，侧板绕弹性机构均匀分布，每个侧板上都固定有一个压电陶瓷片，按钮底部固定有直齿条，直齿条固定在弹性机构顶部，压电陶瓷片的边缘卡在直齿条的齿槽内。2.如权利要求1所述的利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，其特征在于:每个侧板上都固定有两个夹板，两个夹板将压电陶瓷片的边缘夹持。3.如权利要求1所述的利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，其特征在于:电源管理单元包括依次连接的整流电路、储能电路和稳压电路。4.如权利要求1所述的利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，其特征在于:压电陶瓷片为双晶圆形压电陶瓷片或双晶矩形压电陶瓷片。5.如权利要求1所述的利用压电陶瓷振动发电的自供电无线开关，其特征在于:弹性机构为弹簧、弹片或发条。
【文档编号】G08C17/02GK205451449SQ201620144547
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】林伟, 文强, 刘丁, 刘一丁, 刘荣, 韩家鹏, 汤典艳, 伍玲蒙
【申请人】武汉理工大学