一种智能发电鞋的制作方法

本发明涉及一种发电鞋，尤其是涉及一种智能发电鞋。

背景技术：

在人们进行室外活动时，常存在寻找电源或者移动电源容量不足的问题。随着人们生活水平的提高，各种智能设备或新型的传感装置不断出现在人们的日常生活中。并且人们考虑将更多科技元素植入可穿戴设备，将科技改变生活的理念付诸行动。

“发电鞋”的核心在于发电装置的设计。经对现有技术文献的检索发现，谢卓辉，黄守道等人于2000年6月在“电机电器技术”发表论文“一种新型微电机的原理、结构与应用”提出了一种微型发电装置，不仅需要有大量电感线圈，还要配备微型发电机等，结构复杂，难以推广。

陈振圳等人于2014年9月申请的发明专利“一种利用流动液体发电的走路发电鞋”提出了在走路时的液体流动带动微型发电机的叶轮旋转发电装置，存在发电效率低、发电装置使用寿命短、成本高的问题，不利于市场推广。

LIU,Y.等人于2016年在“Magnetics,IEEE Transactions”发表论文“Design andAnalysis of a Shoe-embeded Power Harvester Based on Magnetic Gear”提出的永磁发电装置发电装置，利用电磁发电技术，存在噪音、电磁干扰、安全隐患，功能单一等问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能发电鞋，具有储能效率高、结构轻便、穿着舒适、功能多样等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种智能发电鞋，包括鞋本体，所述鞋本体的鞋后掌处沿鞋底长度方向依次设有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔内设有相连接的电能变换及储能电路和应用控制电路，所述第二空腔内设有电能发生机构，所述电能发生机构包括沿鞋底长度方向依次的一压电器件、一传力块、一受力块、一传力块和一压电器件，所述受力块呈倒梯形状，受力块的顶面可触及第二空腔的顶面，两个传力块均设有与受力块紧贴的斜面，以及与压电器件紧贴的竖直面，受力块与传力块之间设有滚珠，受力块与第二空腔的底面之间设有弹簧，两个压电器件均连接电能变换及储能电路。

所述受力块的顶面设有气囊。

所述第二空腔的顶面设有开口，所述气囊覆盖第二空腔的顶面，气囊的边缘处与第二空腔的侧面之间留有间隙。

所述电能变换及储能电路包括整流电路、第一开关管、第二开关管和蓄电池，所述两个压电器件均连接整流电路，所述整流电路的正输出端经第一开关管连接蓄电池的一端，整流电路的负输出端连接蓄电池的另一端，所述第二开关管和应用控制电路串联后并联在蓄电池的两端，所述第一开关管和第二开关管均分别连接应用控制电路。

所述蓄电池通过可拆式壳体设于第一空腔内，所述可拆卸式壳体上设有分别连接蓄电池的LED灯和充电接口。

所述应用控制电路包括主控制器以及分别连接主控制器的加速度传感器和无线传感器，所述主控制器分别通过SPWM控制器和电池电压检测器连接电能变换及储能电路。

所述主控制器的工作方式包括三种，第一种工作方式为：主控制器获取加速度传感器采集的信息，并根据加速度传感器采集的信息获取用户行走数据；

第二种工作方式为：主控制器通过电池电压检测器采集电能变换及储能电路内的储能电压值，判断储能电压值是否大于设定值，若是，则中断电能变换及储能电路工作的充电模式，若否，则控制电能变换及储能电路工作在充电模式，充电模式下，主控器利用SPWM控制器调节电能变换及储能电路内的整流输出值；

第三种工作方式为：主控制器等待无线传感器与移动终端建立无线连接，在无线连接建立后，通过无线传感器将主控制器获取的数据无线传输给移动终端并显示。

每个压电器件均包括多个压电片，每个压电器件内的多个压电片沿鞋底宽度方向依次设置。

所述第一空腔位于鞋后掌的足弓部，所述第二空腔位于鞋后掌的鞋跟部。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明基于压电器件设计了电能发生机构，当人在走路时，脚后跟会给受力块一个作用力，气囊起到缓冲脚底应力作用，然后这个受力块会通过传力块将其水平传递给压电片，受力块的倒梯形结构将作用在压电片上的力放大，从而对称的两个压电器件同时产生电能，相比现有技术，可以发电效率更高，且合理利用鞋后跟的空间，对鞋本体的外观不会造成影响，同时为了使得受力块可以顺利反弹上去，特地加了滚珠和弹簧，滚珠可以减小传力块与受力块之间的摩擦，而弹簧可以给受力块一个向上的反弹力，使得受力块可以顺利恢复到原位置，底座材料均为聚酯纤维，重量较小，使得整个鞋本体轻便，且刚性较强。

2)本发明设计的气囊覆盖第二空腔的顶面，气囊的边缘处与第二空腔的侧面之间留有间隙，既保证气囊可以向受力块传递整个脚后跟的作用力，还可以利用间隙排出压缩的空气，防止第二腔体在长期空气压缩的作用下而产生变形。

3)本发明采用压电器件作为压电发电元件，将应力引发的形变转化成电荷能产生电流和电压，系统不会发热，也不会产生电磁干扰，具有压电发电效率高、体积小，成本低使用、寿命长的优点。

4)本发明设计的电能变换及存储电路能够将波动的电能变换成稳定的电能存储，解决常规发电效率低下的问题，同时第一开关管和第二开关管形成双向充放电开关，能够实现能量的双向流动，有效地实现蓄电池的充放电模式切换，具有结构简单、稳定性能高的优点。

5)本发明设计的应用控制电路能够将无线传感器、三轴加速度传感器置于鞋底中，解决常规发电鞋功能单一的问题，具有低功耗、功能多样的优点，能够满足各类不同用户的功能体验。

6)本发明设计了可拆卸式壳体，可以将蓄电池可以方便从鞋子内部取出，及时为手机、IPAD等便携设备补充应急电能并且配置LED灯用作室外照明。

7)本发明中将电路部分的第一空腔设置在足弓部，减小对电路部分的挤压力，可以有效地保证电路部分结构的稳定。

附图说明

图1为本发明发电鞋的整体结构示意图；

图2为第一空腔和第二空腔内部的布设示意图；

图3为电能发生机构的结构示意图；

图4为电能变换及储能电路的电路图；

图5为应用控制电路的结构示意图；

图6为本发明工作流程示意图。

图中：1、第一空腔，2、第二空腔，3、应用控制电路，4、电能发生机构，5、压电器件，6、传力块，7、受力块，8、滚珠，9、弹簧，10、气囊，11、整流电路，12、蓄电池，13、主控制器，14、加速度传感器，15、无线传感器，16、集成电路板，17、可拆卸式壳体，18、LED灯，19、充电接口，20、数据线，21、手机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-3所示，一种智能发电鞋，包括鞋本体，鞋本体的鞋后掌处沿鞋底长度方向依次设有第一空腔1和第二空腔2，第一空腔1内设有相连接的电能变换及储能电路和应用控制电路3，第二空腔2内设有电能发生机构4，电能发生机构4包括沿鞋底长度方向依次的一压电器件5、一传力块6、一受力块7、一传力块6和一压电器件5，受力块7呈倒梯形状，受力块7的顶面可触及第二空腔2的顶面，两个传力块6均设有与受力块7紧贴且相平行的斜面，以及与压电器件5紧贴的竖直面，受力块7与传力块6之间设有滚珠8，受力块7与第二空腔2的底面之间设有弹簧9，两个压电器件5均连接电能变换及储能电路。

每个压电器件5均包括多个压电片，每个压电器件5内的多个压电片沿鞋底宽度方向依次设置。当人在走路时，脚后跟会给受力块7一个作用力，气囊10起到缓冲脚底应力作用，然后这个受力块7会通过传力块6将其水平传递给压电器件5，通过采用的倒梯形结构，将作用在压电片上的力放大，从而对称的两个压电器件5同时产生电能，滚珠8可以减小传力块6与受力块7之间的摩擦，而弹簧9可以给受力块7一个向上的反弹力，使得受力块7可以顺利恢复到原位置。本实施例中，采用8个压电陶瓷片并联的结构，以输出较大的电流。

如图3所示，受力块7的顶面设有气囊10，第二空腔2的顶面设有开口，气囊10覆盖第二空腔2的顶面，气囊10的边缘处与第二空腔2的侧面之间留有间隙，且第二空腔2的侧面顶边呈波浪形，可增加受力块7回复到原位的弹力且可以留有有助于排气防止变形的间隙。第二空腔2采用高强度聚酯纤维制作而成，重量较小。

如图4所示，电能变换及储能电路包括整流电路11、第一开关管、第二开关管和蓄电池12，两个压电器件5均连接整流电路11，整流电路11的正输出端经第一开关管连接蓄电池12的一端，整流电路11的负输出端连接蓄电池12的另一端，第二开关管和应用控制电路3串联后并联在蓄电池12的两端，第一开关管和第二开关管均分别连接应用控制电路3。本实施例中，第一开关管和第二开关管均采用IGBT，分别用G1、G2表示，工作时G1和G2不允许同时导通，正向工作(由左向右)的时候G2总是处于截止状态，蓄电池12存储电能；反向工作(由右向左)的时候G1总是处于截止状态，蓄电池12释放电能为应用控制电路3提供电能供应，还可以为手机21充电，整流电路11采用由开关器件VD1-VD4构成的整流桥，电容C1、C2和电感L起滤波的作用。

如图5所示，应用控制电路3包括主控制器13以及分别连接主控制器13的加速度传感器14和无线传感器15，主控制器13通过SPWM控制器分别连接第一开关管和第二开关管，输出SPWM控制脉冲，实现DC-DC双向充放电的SPWM控制，同时通过电池电压检测器连接蓄电池12，实现蓄电池12电压的检测。

本实施例中，主控制器13采用TI公司生产的MSP430控制芯片，其功耗极低而且片内资源和外部接口丰富，IGBT采用三菱公司生产的CT 30SM-12型号开关管，蓄电池12采用Sony公司生产的微型锂离子电池，加速度传感器14采用ADXL362芯片，无线传感器15采用蓝牙传感器，蓝牙传感器采用Dialog的蓝牙超低功耗SmartBond SoC(片上系统芯片)蓝牙串口模块，为软件爱好者提供二次应用开发的接口，并且能够实现与手机21间的通信，ADXL362芯片通过SPI将数据信息传递至MSP430控制芯片，由MSP430控制芯片计算处理后通过蓝牙传感器传递给手机21，在手机21的APP端可以查看自己每天行走的步数，显示行走发的电量以及剩余电量信息等电池充放电状态，手机21的APP端可以由软件爱好者进行二次应用开发。

如图1、图2所示，第一空腔1位于鞋后掌的足弓部，既可以有效地利用足弓弯曲形成的空间又可以减小人体重力对电路部分结构的挤压，保证电路部分结构的稳定性，第二空腔2位于鞋后掌的鞋跟内部，可以将人体行走产生的最大作用力回收，用于压电陶瓷的发电，图2中，蓄电池12通过可拆式壳体设于第一空腔1内，可拆卸式壳体17上设有分别连接蓄电池12的LED灯18和充电接口19，充电接口19连接数据线20可实现手机21等移动设备的应急充电，LED灯18可用作室外照明，电能变换及储能电路中除蓄电池12以外的电路结构以及应用控制电路3的电路结构集成在集成电路板16上，该集成电路板16与电能发生机构4之间的连接采用柔性电线连接，有利于缓和足弓部与后跟部之间的连接，该集成电路板16与蓄电池12之间的连接采用卡扣式连接，便于拆卸。

如图6所示，主控制器13的工作方式包括三种：

第一种工作方式为：主控制器13获取加速度传感器14采集的信息，并根据加速度传感器14采集的信息获取用户行走数据，例如行走步数；

第二种工作方式为：主控制器13通过电池电压检测器采集电能变换及储能电路内的储能电压值，判断储能电压值是否大于设定值(是否过压)，若是，则中断电能变换及储能电路工作的充电(整流)模式，若否，则控制电能变换及储能电路工作在充电模式，充电模式下，主控器利用SPWM(Sinusoidal PWM)控制器改变控制脉冲的占空比，调节电能变换及储能电路内的整流输出值；

第三种工作方式为：主控制器13接收用户行走数据和电池状态信息，工作在蓝牙等待连接命令的状态，当蓝牙与手机21连接成功时，蓝牙主动发送连接成功信号，则可以通过蓝牙将主控制器13获取的数据无线传输给手机21并显示。

本实施例中，应用控制电路3内还设有备用辅助电源，该备用辅助电源用于提供应用控制电路3在待机状态下的供电，也连接蓄电池12，主控制器13定时查询加速度传感器14的采集数据，当加速度传感器14在设定时间内采集的数据呈有规律的波纹状时，则主控制器13激活整个应用控制电路3，进而控制电能变换及储能电路开始充电，若加速度传感器14采集的数据在设定时间内呈平缓直线状时，该平缓直线状是指振动幅值小于预设值，则主控制器13控制整个装置进入待机状态，当蓄电池12被拆卸下来时，主控制器13也控制整个装置进入待机状态，等待蓄电池12重装。