基于纳米发电机的智能控制装置及智能控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于纳米发电机的智能控制装置，该装置包括：至少一个纳米发电机，当外界环境存在微扰时纳米发电机发生机械形变，输出交流脉冲电信号；信号采集电路，信号采集电路与至少一个纳米发电机相连，用于对至少一个纳米发电机输出的交流脉冲电信号进行处理；以及中央处理电路，中央处理电路与信号采集电路相连，用于根据信号采集电路输出的电信号进行判断处理并输出控制信号。本实用新型还公开了一种基于纳米发电机的智能控制系统，该系统包括上述智能控制装置及终端设备，终端设备与智能控制装置中的中央处理电路相连。该智能控制装置及系统能够实现电路的智能化通断，不需要人为干预，同时能在恶劣换环境中可靠、稳定工作。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电器领域，具体涉及一种基于纳米发电机的智能控制装置及智能控制 系统。 基于纳米发电机的智能控制装置及智能控制系统
【背景技术】
[0002] 智能控制装置是指利用控制板和电子元器件的组合及编程，以实现电路智能化通 断。现有的智能控制装置种类繁多，且其使用环境也较为广泛，主要应用于家居智能化改 造、办公室智能化改造、工厂智能化改造、农林渔牧智能化改造等项目。
[0003] 但是，这些智能控制装置都需要人为的干预来完成电路智能化的通断，且在工厂 烟囱的排烟口等恶劣环境中，很难保证其工作的可靠性和稳定性，因此现有技术中缺少一 种既不需要人为干预来完成电路智能化通断，又能在恶劣换环境中可靠、稳定工作的智能 控制装置。
【发明内容】
[0004] 本实用新型提供一种基于纳米发电机的智能控制装置，用于解决现有技术中智能 控制装置需要人为干预，且在恶劣换环境中工作不可靠、不稳定的问题。
[0005] 根据本实用新型的一个方面，提供一种基于纳米发电机的智能控制装置，包括：至 少一个纳米发电机，当外界环境存在微扰时所述纳米发电机发生机械形变，输出交流脉冲 电信号；信号采集电路，信号采集电路与至少一个纳米发电机相连，用于对至少一个纳米发 电机输出的交流脉冲电信号进行处理；以及中央处理电路，中央处理电路与信号采集电路 相连，用于根据信号采集电路输出的电信号进行判断处理并输出控制信号。
[0006] 本实用新型的基于纳米发电机的智能控制装置采用将纳米发电机作为传感器设 置在待测环境中，感知外界环境的扰动，经过信号处理电路及中央处理电路输出控制信号。 该基于纳米发电机的智能控制装置可以解决现有技术中智能控制装置的触发信号需要人 为干预采集的问题，同时可以在大部分恶劣的环境下稳定可靠的工作。
[0007] 本实用新型提供一种基于纳米发电机的智能控制系统，包括：上述基于纳米发电 机的智能控制装置，以及终端设备，终端设备与智能控制装置中的中央处理电路相连，根据 中央处理电路输出的控制信号进行开启和关闭。
[0008] 本实用新型的基于纳米发电机的智能控制系统可以智能控制终端设备，节约了人 力，提高了工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为本实用新型实施例一的基于纳米发电机的智能控制装置的示意图；
[0010] 图2为本实用新型实施例一的基于纳米发电机的智能控制装置中的信号采集电 路的不意图；
[0011] 图3为本实用新型实施例二的基于纳米发电机的智能控制装置的示意图；
[0012] 图4为本实用新型实施例一的基于纳米发电机的智能控制装置的工作流程图；
[0013] 图5为本实用新型实施例中的摩擦发电机的正向剖面结构示意图；
[0014] 图6a为本实用新型实施例中的氧化锌纳米发电机的立体结构示意图；
[0015] 图6b为图6a所示的本实用新型实施例中的氧化锌纳米发电机的正向剖面结构示 意图；
[0016] 图7为本实用新型一个实施例的基于纳米发电机的智能控制系统的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考 附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的 限制。
[0018] 为解决现有技术中的智能控制装置需要人为干预来完成电路智能化通断，又不能 在恶劣换环境中可靠、稳定工作的问题，本实用新型提供了一种基于纳米发电机的智能控 制装置，图1为本实用新型实施例一的基于纳米发电机的智能控制装置的示意图。如图1 所示，本实用新型第一方面实施例的基于纳米发电机的智能控制装置，包括：至少一个纳米 发电机11、信号采集电路12、中央处理电路13。其中，至少一个纳米发电机11设置在待测 外界环境中，当外界环境发生扰动（如震动、风吹动）使至少一个纳米发电机11产生机械 形变，输出交流脉冲电信号；信号米集电路12的输入端与至少一个纳米发电机11的输出端 相连，用于对至少一个纳米发电机11产生的交流脉冲电信号进行预处理；中央处理电路13 的第一输入端与信号采集电路12的输出端相连，根据信号采集电路12输出的电信号进行 判断处理，从而输出控制信号。
[0019] 其中，至少一个纳米发电机11可以是摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机，本领 域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定，其具体结构将在后面进行详细描述。在 本实施例中，纳米发电机11的数量可以为一个，也可以为多个。当为多个纳米发电机时，纳 米发电机之间通过串联和/或并联的方式连接，本领域技术人员可以根据需要进行选择， 此处不做限定。
[0020] 其中，中央处理电路13包括具有判断处理功能的单片机（MCU)。本实用新型对单 片机（MCU)的类型不做限制，可以选用各种MCU，例如MSP430芯片。需要说明的是，该中央 处理电路13实现的是对电信号与预设阈值进行比较的功能，及信号产生开始的计时功能。 经MCU处理后会对应输出控制信号，此控制信号包括开启信号与关闭信号。此种工作模式 将在下文对该实施例的工作流程介绍中具体描述。
[0021] 其中，中央处理电路13可以采用电压比较器与计时器配合使用来取代各种MCU。 此种硬件组合的工作模式如下：电压比较器接收到信号处理电路12输出的电信号后与其 内的预设阈值进行比较，比较合格后计时器开始计时，达到计时时间后，直接将信号处理电 路12输出的电信号作为控制信号输出；当比较不合格和/或计时时间不足时，中央处理电 路13不输出控制信号。电压比较器及计时器等硬件的具体型号及电路布置不做限定，本领 域技术人员可以根据需要进行选择。
[0022] 可选地，如图2所示，信号采集电路12可以进一步包括：整流电路121、滤波电路 122、放大电路123和模数（A/D)转换电路124。整流电路121的输入端与至少一个纳米发 电机11的输出端相连，用于将至少一个纳米发电机11输出的交流脉冲电信号进行整流处 理，得到单向脉动的直流电信号；滤波电路122的输入端与整流电路121的输出端相连，用 于滤除整流电路122输出的单向脉动的直流电信号中的干扰杂波；放大电路123的输入端 与滤波电路122的输出端相连，用于将滤波电路122输出的直流电信号进行放大处理;A/D 转换电路124的输入端与放大电路123的输出端相连，用于对放大电路123输出的放大后 的单向脉动的直流电信号进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号以输出给中央处 理电路13的第一输入端。另外，A/D转换电路124可以采用单独的A/D转换芯片实现，也 可以采用中央处理电路13自身携带的A/D转换电路，本领域技术人员可以根据需要进行选 择，此处不做限定。
[0023] 可选地，如图3所示，为本实用新型实施例二的基于纳米发电机的智能控制装置 的示意图，本实施例与实施例一的区别仅在于：进一步设置有储能电路16。其中，储能电路 16的输入端与至少一个纳米发电机11的输出端相连，用于接收并存储其产生的电能；储能 电路16的输出端与用电器件相连并为其供电。此处用电器件可以为信号处理电路12和 中央处理电路13,同时还可以为其他用电器件，如照明器件和发生器件等，此处不做具体限 定。该储能电路16包括转换电路及储能器，两者皆为现有技术中的产品，本领域技术人员 可以根据需要进行选择，此处不做限定。
[0024] 另外，为了避免外界环境因素如温度、湿度、灰尘、酸碱度等对至少一个纳米发电 机11的工作造成影响，在本实用新型的实施例中，还可以在至少一个纳米发电机11的外部 设置密封保护套，从而保证其可靠，稳定的工作。其中，密封保护套的材质优选轻薄，柔软、 抗腐蚀的材质，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
[0025] 图4为本实用新型实施例一的基于纳米发电机的智能控制装置的工作流程图，包 括：
[0026] 步骤S601，首先中央处理电路对内部信息进行初始化。
[0027] 步骤S602,中央处理电路接收到信号采集电路输出的电信号后，将该电信号V与 中央处理电路内部的预设阈值％进行比较。
[0028] 若V彡V。，跳转步骤S603。
[0029] 若V彡V。，跳转步骤S605。
[0030] 步骤S603,计时器开始计时，并将该计时时间存储在中央处理电路中。具体地，该 计时器可以采用中央处理电路本身自带的定时器进行计时，也可以采用单独的定时电路进 行计时，此处不做限定。应当注意的是：所述计时时间是由本领域技术人员根据需要进行设 定的，可以设定为30s、lmin等数值，此处不做限定。
[0031] 步骤S604,在计时时间内，中央处理电路判断V是否持续彡Vp
[0032] 若V彡V0,跳转步骤S606。
[0033] 若V彡V。，跳转步骤S605。
[0034] 步骤S605,中央处理电路输出关闭信号。
[0035] 步骤S606,中央处理电路输出开启信号。
[0036] 基于纳米发电机的智能控制装置的具体工作过程如下所述：当外界环境发生扰动 (如震动或风吹），使至少一个纳米发电机产生机械形变，从而产生电信号；该电信号会输 出给信号采集电路进行整流、滤波、放大和A/D转换，从而输出适合中央处理电路处理的电 信号；如图4所示，当该电信号被中央处理电路接收到时，中央处理电路会将该电信号V与 预先设置的阈值\进行比较。当该电信号V大于或等于预设的阈值％，中央处理电路开始 计时，如果在计时时间内该电信号V-直大于或等于预设的阈值％，则认为外界扰动为触发 信号，输出开启信号；当该电信号V大于或等于预设的阈值％，中央处理电路开始计时，如 果在计时时间内该电信号V小于预设的阈值％，则认为小于预设的阈值％之前的电信号为 干扰电信号，输出关闭信号，并将中央处理电路中的定时器清零，等待下次计时；当该电信 号V小于预设的阈值％，则认为外界不存在扰动，输出关闭信号。
[0037] 图5为本实用新型实施例中的摩擦发电机的正向剖面结构示意图。如图5所示， 三层结构的摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层71，第一高分子聚合物绝缘层72 和第二电极层73。其中，第一电极层71和第二电极层73构成摩擦发电机的信号输出端。 优选地，为了进一步提高摩擦发电机的发电效率，第一高分子聚合物绝缘层72和第二电极 层73相对设置的两面中的至少一个面上设置有微纳结构74。
[0038] 另外，本实用新型还可采用具有四层、五层结构的摩擦发电机，四层结构的摩擦发 电机是在三层的基础上增加了一层高分子聚合物绝缘层，五层结构的摩擦发电机是在四层 的基础上在两层高分子聚合物绝缘层之间增加了一层居间薄膜层或居间电极层。参考图5 所示的三层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解四层、五层结构的摩擦发 电机的结构，此处不再赘述。
[0039] 下面介绍本实用新型的四层结构或五层结构的氧化锌纳米发电机。
[0040] 本实用新型的四层结构的氧化锌纳米发电机如图6a和图6b所示。该氧化锌纳米 发电机包括：依次层叠设置的第一电极层81，第一高分子聚合物绝缘层82,氧化锌纳米阵 列84以及第二电极层83。其中，第一电极层81设置在第一高分子聚合物绝缘层82的第一 侧表面上；其中，氧化锌纳米阵列84垂直生长在第二电极层83上且氧化锌纳米阵列84的 另一端设置有第一高分子聚合物绝缘层82的第二侧表面（或氧化锌纳米阵列84垂直生长 在第一高分子聚合物绝缘层82的第二侧表面上且氧化锌纳米阵列84的另一端设置有第二 电极层83);其中，第一电极层81和第二电极层83构成氧化锌纳米发电机的两个输出端。
[0041] 本实用新型的五层结构的氧化锌纳米发电机与图6a和图6b所示的四层结构的氧 化锌纳米发电机相比，在氧化锌纳米阵列84和第二电极层83增设有第二高分子聚合物绝 缘层，本领域技术人可以较容易的理解其结构，此处不再赘述。
[0042] 由上可知，本实用新型的基于纳米发电机的智能控制装置，采用纳米发电机作为 传感器来持续感知外界环境中的微扰（振动和/或风吹动的机械能），并将此微扰产生的机 械能转换为电信号，该电信号会经过信号采集电路输出给中央处理电路进行判断处理，从 而输出控制信号。该基于纳米发电机的智能控制装置，由于采用纳米发电机作为触发器，不 仅灵敏度高，而且误报率低，且无需人为干预即可完成电路的通断，给用户的使用的带来极 大的便利。
[0043] 本实用新型还提供了一种基于纳米发电机的智能控制系统，如图7所示，该系统 包括上述基于纳米发电机的智能控制装置1和终端设备2,终端设备2与智能控制装置1中 的中央处理电路13相连，根据中央处理电路13输出的控制信号进行开启和关闭。该基于 纳米发电机的智能控制系统可以智能控制终端设备，节约了人力，提高了工作效率。
[0044] 其中，该终端设备2可以为气体检测设备，此时该系统可用于工业烟囱气体检测， 当烟囱排烟时，纳米发电机被烟气触发产生电信号，进而通过信号处理电路和中央处理电 路处理输出控制信号给气体检测设备，气体检测设备开启检测烟气各组分含量。
[0045] 其中，该终端设备2可以为车载空气净化设备，此时该系统可用于汽车空气净化， 通过将纳米发电机设置在汽车空调设备风道内感知空调的开启进而控制车载空气净化设 备的开启，达到自动净化车内空气的目的。
[0046] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽 度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"顺 时针"、"逆时针"、"轴向"、"径向"、"周向"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位 或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限 制。
[0047] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0048] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固 定"等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个 元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技 术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0049] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下" 可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特 征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅 表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可 以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0050] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的电路、片段或部 分，并且本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论 的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本 实用新型的实施例所属【技术领域】的技术人员所理解。
[0051] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以 在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域 的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。
[0052] 尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是 示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围 内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1. 一种基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，包括： 至少一个纳米发电机，当外界环境存在微扰时所述纳米发电机发生机械形变，输出交 流脉冲电信号； 信号采集电路，所述信号采集电路与所述至少一个纳米发电机相连，用于对所述至少 一个纳米发电机输出的交流脉冲电信号进行处理；以及 中央处理电路，所述中央处理电路与所述信号采集电路相连，用于根据所述信号采集 电路输出的电信号进行判断处理并输出控制信号。
2. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述至少一 个纳米发电机为摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机；其中， 所述摩擦发电机为三层、四层或者五层结构，所述摩擦发电机至少包含构成摩擦界面 的两个表面，所述摩擦发电机具有至少两个输出端； 所述氧化锌纳米发电机为四层或者五层结构，所述氧化锌纳米发电机具有两个输出 端。
3. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述纳米发 电机的数目为多个，多个所述纳米发电机通过串联和/或并联方式连接。
4. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述至少一 个纳米发电机的外部设置有密封保护套。
5. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述信号采 集电路包括： 与所述至少一个纳米发电机相连的，将所述至少一个纳米发电机输出的交流脉冲电信 号进行整流处理的整流电路； 与所述整流电路相连的，滤除所述整流电路输出的电信号中的干扰杂波的滤波电路； 与所述滤波电路相连的，将所述滤波电路输出的电信号进行放大处理的放大电路；以 及 与所述放大电路相连的，对所述放大电路输出的电信号进行模数转换的模数转换电 路。
6. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述中央处 理电路包括电压比较器，其中： 所述电压比较器输出的所述控制信号为经过其比较后的所述信号采集电路输出的电 信号。
7. 根据权利要求6所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述中央处 理电路进一步包括计时器。
8. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，所述中央处 理电路为单片机，其中： 所述单片机输出的所述控制信号包括开启信号和关闭信号。
9. 根据权利要求1所述的基于纳米发电机的智能控制装置，其特征在于，进一步包括 储能电路，所述储能电路与所述至少一个纳米发电机连接，用于存储所述至少一个纳米发 电机产生的电能并为用电器件供电。
10. -种智能控制系统，其特征在于，包括： 权利要求1-9任一项所述的基于纳米发电机的智能控制装置，以及 终端设备，所述终端设备与所述智能控制装置中的中央处理电路相连，根据所述中央 处理电路输出的控制信号进行开启和关闭。
【文档编号】H02N1/04GK203896221SQ201420254144
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】徐传毅 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司