利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，包括依次連接的發電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發送單元，電源管理單元還與無線發送單元連接，發電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側板和彈性機構，側板繞彈性機構均勻分布，每個側板上都固定有一個壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機構頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內。該開關能將按壓按鈕時的機械能轉換成電能，從而給微控制單元和無線發送單元供電，微控制單元通過無線發送單元發送開關信號，不需要電池，不需要布局電纜線，環保節能。
【專利說明】
利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種無線開關，具體涉及一種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關。
【背景技術】
[0002]物聯網技術在智能家居領域的不斷發展，無線傳感器網絡節點得到了越來越廣泛的應用。無線傳感器是無線傳感器網絡節點最基本的組成部分，而傳統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。在實際應用中，無線傳感器具有數量多、分布區域廣、部署環境復雜等特點。對于人員不能直接到達的某些區域，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電的機械-電能換能元件，是壓電發電的核心元件，極化后的壓電陶瓷對外呈壓電性，壓電發電利用電陶瓷的正壓電效應產生電壓和電荷，由于壓電發電裝置相對于其他發電裝置，具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾等優點，使其成為微能源研究的熱點。由于微功率傳感器和控制開關的功耗很小，因而可以考慮通過壓力振動的方式來收集機械能，并將機械能轉化為電能，供微功率傳感器和控制開關使用。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是提供一種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，該開關能將按壓按鈕時的機械能轉換成電能，從而給微控制單元和無線發送單元供電，微控制單元通過無線發送單元發送開關信號，不需要電池，不需要布局電纜線，環保節能。
[0005]本實用新型所采用的技術方案是:
[0006]—種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，包括依次連接的發電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發送單元，電源管理單元還與無線發送單元連接，其特征在于:發電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側板和彈性機構，側板繞彈性機構均勻分布，每個側板上都固定有一個壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機構頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內。
[0007]進一步地，每個側板上都固定有兩個夾板，兩個夾板將壓電陶瓷片的邊緣夾持。
[0008]進一步地，電源管理單元包括依次連接的整流電路、儲能電路和穩壓電路。
[0009]進一步地，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]進一步地，彈性機構為彈簧、彈片或發條。
[0011 ]本實用新型的有益效果是:
[0012]按下按鈕時，帶動直齒條向下擊打壓電陶瓷片，使壓電陶瓷片發生形變從而產生電能，同時彈性機構被壓縮，松開按鈕后，彈性機構恢復到初始狀態的過程中帶動直齒條向上擊打壓電陶瓷片，又可以產生電能，電能經電源管理單元處理后供微控制單元和無線發送單元使用，無線發送單元發射一個無線控制信號控制接收終端(如，智能家居)開啟或關閉；該無線開關將按壓按鈕時的機械能轉換成電能，不需要電池，不需要布局電纜線，環保節能；壓電陶瓷片均勻布置(可以是左右對稱、前后對稱或排列成“十”字形三角形等其它形狀)，使得按下按鈕時彈性機構受力更平衡，并且多個直齒條同時擊打對應的壓電陶瓷片，發電效率高。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型實施例的結構框圖。
[0014]圖2是本實用新型實施例中發電單元的結構示意圖。
[0015]圖3是本實用新型實施例中電源管理單元的結構框圖。
[0016]圖4是本實用新型實施例中電源管理單元的原理圖。
[0017]圖中:1-按鈕;2_直齒條;3_側板;4_夾板;5_壓電陶瓷片;6_彈性機構;7_底板;8_整流電路;9-儲存電路;I O-穩壓電路;11-發電單元;12-電源管理單元；13-微控制單元;14-無線發送單元。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步地說明。
[0019]如圖1所示，一種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，包括依次連接的發電單元11、電源管理單元12、微控制單元13和無線發送單元14，電源管理單元12還與無線發送單元14連接，如圖2所示，發電單元11包括按鈕I和底板7，底板7上固定有豎直的側板3和彈性機構6，側板3繞彈性機構6均勻分布，每個側板3上都固定有一個壓電陶瓷片5，按鈕I底部固定有直齒條2，直齒條2固定在彈性機構6頂部，壓電陶瓷片5的邊緣卡在直齒條2的齒槽內。
[0020]按下按鈕I時，帶動直齒條2向下擊打壓電陶瓷片5，使壓電陶瓷片5發生形變從而產生電能，同時彈性機構6被壓縮，松開按鈕后，彈性機構6恢復到初始狀態的過程中帶動直齒條2向上擊打壓電陶瓷片5，又可以產生電能，電能經電源管理單元12處理后供微控制單元13和無線發送單元14使用，無線發送單元14發射一個無線控制信號控制接收終端(如，智能家居)開啟或關閉；該無線開關將按壓按鈕I時的機械能轉換成電能，不需要電池，不需要布局電纜線，環保節能;壓電陶瓷片5均勻布置(可以是左右對稱、前后對稱或排列成“十”字形三角形等其它形狀)，使得按下按鈕I時彈性機構6受力更平衡，并且多個直齒條2同時擊打對應的壓電陶瓷片5，發電效率高。
[0021 ]如圖2所示，在本實施例中，每個側板3上都固定有兩個夾板4，兩個夾板4將壓電陶瓷片5的邊緣夾持。
[0022]如圖2所示，在本實施例中，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，在本實施例中，彈性機構6為彈簧(還可以是彈片或發條)。
[0024]如圖3所示，在本實施例中，電源管理單元12包括依次連接的整流電路8(主要是四個肖特基二極管)、儲能電路9(主要是若干個電解電容)和穩壓電路10(主要是DC-DC變換器)。壓電陶瓷片5產生的感應電壓是交流電，經過整流電路8整流后變成直流電并對儲能電路9充電，最終由穩壓電路10穩壓;穩壓電路10可以在儲能電路9放電的過程中，產生短時間的恒定電壓來驅動微控制單元13和無線發送單元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內部集成了整流電路和穩壓電路，十分適合微能源的收集，并且通過設置相應管腳，可以把LTC3588-1的輸出電壓設為1.8V。
[0026]在本實施例中，微控制單元13主要由超低功耗的微控制芯片(MSP430)組成，無線發送單元14主要是由無線發送芯片(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，可以將按動按鈕I所產生的開、關信號傳遞給微控制芯片(MSP430)，進而通過無線發送芯片(CCl 101)和發射天線將信號傳送出去。微控制芯片(MSP430)在運行模式下工作電流可低于230μΑ，無線發射功率可設為-1OdBM,這樣使得無線發送芯片(CCllOl)在發射狀態時的工作電流減少到14mA，減少了能量的消耗，保證了每次能穩定的發射信號，增加無線發射單元14的可靠性。
[0027]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本實用新型所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，包括依次連接的發電單元、電源管理單元、微控制單元和無線發送單元，電源管理單元還與無線發送單元連接，其特征在于:發電單元包括按鈕和底板，底板上固定有豎直的側板和彈性機構，側板繞彈性機構均勻分布，每個側板上都固定有一個壓電陶瓷片，按鈕底部固定有直齒條，直齒條固定在彈性機構頂部，壓電陶瓷片的邊緣卡在直齒條的齒槽內。2.如權利要求1所述的利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，其特征在于:每個側板上都固定有兩個夾板，兩個夾板將壓電陶瓷片的邊緣夾持。3.如權利要求1所述的利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，其特征在于:電源管理單元包括依次連接的整流電路、儲能電路和穩壓電路。4.如權利要求1所述的利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，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.如權利要求1所述的利用壓電陶瓷振動發電的自供電無線開關，其特征在于:彈性機構為彈簧、彈片或發條。
【文檔編號】G08C17/02GK205451449SQ201620144547
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月26日
【發明人】林偉, 文強, 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