一种基于摩擦纳米发电的计步鞋垫的制作方法

本发明属于计步技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电的计步鞋垫。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们对于吃穿住行的要求也越来越高，“好”已经不是人们对于更高追求的唯一标准，人们对于健康的要求开始放在第一位，对于自身的身体状况越来越重视。冠心病、高血压等疾病在我们生活中困扰着许许多多的人，但究其根本，众多病情的发生是人们前期发现的不及时导致的，正是这些不及时导致了后期的治疗困难，以至于许多人由于错过最佳治疗时间从而丢掉了自己的生命。俗话说健康是生命的第一本钱，而运动是健康的最佳保障。

健身成为全民最热的一项活动，无论是办公室里朝九晚五的上班族还是高校里课余生活丰富的大学生，他们对于健身都有着极其高的热情。而晚饭后的慢走也成为人们日常生活中不可缺少的一部分，像微信小程序中的微信运动，受到了很多人的追捧，微信运动的排行榜也曾成为大家运动比拼的一个平台，但它的存在对于人群积极参与到运动中来，由此也看出全民对于运动的重视。人们利用计步器通过统计步数、距离、时间、速度等数据，测量计算出我们消耗的热量，燃烧的脂肪，以此来掌控运动量，将此类数据作为衡量我们运动量是否合适的指标，避免运动过量和运动量不足现象的出现。

正如众所周知的那样，市面上的计步电子产品应用的原理都是利用加速度传感器感受加速度，然后将加速度信号转换为所需要的信号进行输出。加速度传感器对于加速度的感知是在一定的范围之内，当人在运动中由于摆动幅度太小或者存在其他原因，那么加速度对于这一次的运动就会感知不到，这一个信号也就无法输出，计步结果就会与现实运动结果存在偏差。

另外现有技术中的记步设备大多是佩戴设备，不方便或者容易忘记携带，将记步设备置于鞋子中是一个较好的选择，但是现有技术中的记步设备，特别是鞋子携带式的设备，均需要外接电源进行供给，无法自给自足。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于摩擦纳米发电的计步鞋垫通过踩压就会产生一个电流和电压波形，通过计数器从而达到计数的功能，且本申请供电方式为自驱式供电，对环境保护，降低环境压力起到了一定作用。

技术方案如下：

一种基于摩擦纳米发电的计步鞋垫，包括：首垫、若干中间垫、底垫，所述首垫、中间垫、底垫中间通过弹性结构进行连接；所述首垫自上而下依次为：压克力板、铝箔层；所述中间垫自上而下依次为：聚二甲基硅氧烷层、铝箔层、压克力板、铝箔层；所述底垫自上而下依次为：聚二甲基硅氧烷层、铝箔层、压克力板。

进一步的，所述弹性结构为弹簧，相连两个垫之间设置4根弹簧。

进一步的，还包括电源转换电路、传感器、单片机，所述铝箔层与所述电源转换电路连接，所述电源转换电路分别与所述传感器、单片机连接，所述传感器与所述单片机连接。

进一步的，所述传感器为霍尔电流传感器。

进一步的，所述铝箔层和压克力板之间使用kapton胶进行连接。

进一步的，所述聚二甲基硅氧烷层的制备方法步骤如下：

s1、用电子秤称量出配比为10:1的聚二甲基硅氧烷和凝固剂，进行搅拌；

s2、准备干净的培养皿，使用碟片进行银镜反应；

s3、将盛有涂抹过溶液的碟片的培养皿放入烘箱中，调节烘箱温度为恒温50度，放置四个小时，将培养皿取出，得到聚二甲基硅氧烷层。

进一步的，所述电源转换电路包括整流模块和滤波模块，所述整流模块与所述滤波模块连接；所述整流模块是mb6s，包括四个两两对接的二极管；所述滤波模块包括运算放大器和rc元件，所述运算放大器为lm318。

本发明的有益效果是：

本发明所述的基于摩擦纳米发电的计步鞋垫通过踩压就会产生一个电流和电压波形，通过计数器从而达到计数的功能，且本申请供电方式为自驱式供电，对环境保护，降低环境压力起到了一定作用。

附图说明

图1是本发明基于三层的垂直接触分离式摩擦纳米发电结构示意图；

图2是本发明实例结构图；

图3是本发明基于三层的垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机的电路原理图；

图4是本发明pdms配制流程图；

图5是本发明摩擦纳米发电机的处理电路示意图；

图6是本发明计步鞋垫原理结构示意图；

图7是本发明在不同结构下产生的电压图；

图8是本发明在不同结构下产生的电流图；

图9是本发明霍尔传感器检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图1-9对基于摩擦纳米发电的计步鞋垫做进一步说明。

本申请用于鞋类，置于鞋底，通过人类运动实现从动能向电能的转换，基于摩擦纳米发电实现计步鞋垫的计步功能。

一、基于三层的垂直接触分离式摩擦纳米发电机结构的设计

人在行走过程中，鞋子会受到来自整个身体的压力，而迈步过程中这个压力则会消失，循环往复，所以在本申请中，放置在鞋垫里的摩擦纳米发电机采用垂直接触-分离模式。基于三层的垂直接触-分离式摩擦纳米发电机结构示意图如图1所示。示意图中整个结构最外边的一层为亚克力板，因亚克力板具有脆、硬、绝缘的特点，选择它作为最外层可以给内部材料起到保护作用，且在按压、踩踏过程中亚克力板不会发生形变。第二层材料为铝箔。众所周知，金属材料是最好的导电材料，而金属材料里导电性好且价格便宜的要数铝箔，而铝箔质量较轻，厚度较薄，质地软，利用kapton胶可以使其与亚克力板很好的结合，所以选择铝箔作为电极材料。第三层材料为聚二甲基硅氧烷(pdms),pdms趋向于电负性，更容易得电子。当在上方给予一个压力的时候，第一块亚克力板上的pdms与第二块亚克力板上的电极材料(铝箔)发生碰撞接触产生摩擦，相继的带动第三块第四块亚克力板发生触碰，在这个力消失后，由于kapton胶的弹性，它会倾向于回到原始的位置，就会使各个亚克力板之间产生一定的位移，因为摩擦起电效应，所以在两种材料表面发生了电荷转移，形成了电流。

图1中的结构相当于三个摩擦纳米发电机的串联，通过这种结构可以测得较高的电流值。在经过多次测试后，发现用pdms作为摩擦层材料，一个摩擦纳米发电机的发电电流可达4.3μa，发电性能良好，而将三个摩擦纳米发电机串联，测得的电流高达10μa，这种串联s型骨架结构发电性能更加优越。

根据图1示意图做出了实例，综合考虑多方面因素，以弹簧代替s型骨架。弹簧的弹性可以在两块亚克力板之间起到很好的支撑作用，使电极材料与pdms之间有一定的空气间隙，且弹簧发生形变后只要不再受到力的作用，其很快就能恢复到最初状态，弹簧的这一系列动作完美地模拟了人在走路行进中的状态。实例结构图如图2所示。当对第一块压克力板施加垂直向下的压力时，弹簧发生形变，亚克力板向下移动，黏附在亚克力板上的电极材料和摩擦层材料发生碰撞接触，因为接触起电和静电感应的耦合作用，两种材料表面就会发生电荷转移，但由于两种电性相反的电荷处在同一平面，所以两个电极之间不存在电势差。当这个力被取消后，弹簧形变恢复，整个摩擦纳米发电机结构回复到原始的位置。这种情况下，两种带有相反电性电荷的表面发生分离，两个电极之间形成电势差，随电荷移动产生电流。

基于三层的垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机的电路原理图如图3所示。串联为s型骨架，无须增大器件的整体面积就可以实现pdms与电极材料接触有效面积的增加。使用电极材料铝箔将三个单元连接在一起，形成一个回路，增加了摩擦纳米发电机的发电性能。

在整个摩擦纳米发电机中，不同的摩擦层材料会产生大小不一的电流，所以摩擦层材料的选取与制备尤为关键。

摩擦层材料pdms的制备包括以下几个步骤：

第一步是用电子秤称量出配比为10:1的pdms和凝固剂，搅拌大约10分钟。

第二步是准备干净的培养皿，选择大小合适的碟片，进行银镜反应。

第三步是将盛有涂抹过溶液的碟片的培养皿放入烘箱中，调节烘箱温度为恒温50度，放置四个小时，将培养皿取出，会得到像果冻胶一样的摩擦层。

配制流程图如图4所示。

二、摩擦纳米发电机的处理收集电路

通过连续按压亚克力板给整个摩擦纳米发电机一个压力，因摩擦起电发生电荷转移产生电流，而产生的电流未经过处理是无法使用的，所以需要利用电路对产生的电流进行整流滤波处理，获得理想的电流信号。摩擦纳米发电机的处理电路如图5所示。

虚线框1内的部分为滤波电路，虚线框2内的部分为整流电路。电流信号进入，先经过全桥整流电路，整流部分由四个背对的二极管组成，他们可以把获得的交流信号经过整流成为直流信号。如图5所示，整流桥选择的是mb6s，包括四个两两对接的二极管，输入的电流信号为正半波时，两只二极管就会导通，输出正半部分；当输入的电流信号为负半波时，另外两只二极管就会导通，但因为是反接，所以输出信号还是正半部分。经过上述过程之后，就完成了对电流信号的整流处理。

处理后的电流信号还要经过滤波。本电路中使用的运算放大器为lm318，运算放大器和rc元件构成滤波器。人走路频率一般为1.2秒/步(1.8hz)，在滤波电路中，根据公式：

可以计算出r为100k、c为10μf。其中，f为截止频率，r为电阻，c为电容。在整流滤波之后，将得到的电能存储在电容当中，为后续应用装置供电。因为踩压发生摩擦就会产生电流，通整个装置实现了一个自产自销的循环。将我们之前浪费的能量进行了转换，摩擦产生的电能得到了很好地利用。

三、计步器工作电路

在本申请中，计步器的工作原理与传统的电子计步器工作原理不同，摩擦纳米发电机可以有效的将走路过程中的机械能转换为电能，每走一步，对摩擦纳米发电机进行一次踩压，在踩压过程中会产生一个电流信号，自充电系统可以为无线发射器供电，并通过记数器记录步数。计步器电路各部分结构如图6所示。

霍尔电流传感器可以用来采集电流信号信息，然后将采集到的数据经过ad转换送到单片机，在单片机内部进行数据处理；在整个系统中，由单片机控制所有的工作，利用stm32芯片与手机蓝牙实现无线传输，并将从数据中检测出的步数信息送到手机进行数字显示。计步器功率为0.13瓦，而在不同频率下的电流信号高达9μa，不同结构下的电流电压图分别如图7电压图、图8电流图所示。

在整个电路中，霍尔电流传感器对于电流信号的采集起到了至关重要的作用。霍尔传感器检测原理如图9所示。

下述列明实施例中使用的的缩写词的英文名及其中文名的对照。

pdms:英文名：polydimethylsiloxane

中文名：聚二甲基硅氧烷

本申请对市面上的计步产品存在的问题进行了改进，主要针对三点问题展开。

原理创新是本申请第一个创新点，正如众所周知的那样，市面上的计步电子产品应用的原理都是利用加速度传感器感受加速度，然后将加速度信号转换为所需要的信号进行输出。正如上文提到的那样，加速度传感器对于加速度的感知是在一定的范围之内，当人在运动中由于摆动幅度太小或者存在其他原因，那么加速度对于这一次的运动就会感知不到，这一个信号也就无法输出，计步结果就会与现实运动结果存在偏差。

将上文中讲述的摩擦纳米发电机应用到鞋垫当中，这款摩擦纳米记步鞋垫与市面上存在的记步鞋原理不同，相比较而言，它的优点更突出于计步的准确性。通过一系列的测试可以得到只要给亚克力板一定的压力就会产生明显的电流突起高峰的现象，在本申请中，纳米摩擦发电记步鞋应用的就是踩压发电计数电流突起高峰的原理。将上述当中制备的纳米摩擦发电机放置于鞋底，当人运动或者正常走路时，只要踩压鞋子，就会产生我们实验中的电流高峰突起，用计数器计算每一个脉冲，然后将得到的脉冲数进行存储，在一定时间内结束运动后，就可以将在规定的这段时间内的数值结果输出。

这款基于摩擦纳米发电机的记步鞋垫使用踩压的原理，改进了加速度传感器的原理，这种方式解决了计数不准确，误差比较大点的问题。

对于第二点提到的携带问题，也得到了解决。我们见到的产品无论是以手机为媒介也好还是说带手上或者脚腕上的手环脚环，忘记携带是最大的问题。而将我们制备的纳米摩擦发电机用在鞋子，鞋子作为人们生活的必需品，忘记携带的问题就得到了很好地解决。

将轻薄的摩擦材料和导电材料放置到鞋底，不会存在因摩擦材料和导电材料放置而导致的舒适度的问题。且电极材料和摩擦材料的选取性价比较高，类似于鞋子这种的生活必需品，不会因为多了计步这一功能而过多的影响到制造成本。

与其他的计步产品相比，电池的供给是本申请新的一大特点。因为踩压发生摩擦就会产生电流，通过收集装置将产生的电流进行收集，为整个信号输出电路供电，整个装置实现了一个自产自销的循环。将我们之前浪费的能量进行了转换，摩擦产生的电能得到了很好地利用。解决了其他产品消耗电量大，易供电不足的问题。且将能量收集用于自身，完全起到了清洁环保的作用。没有产生电池的大量消耗，减少了环境保护的压力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。