一种压力充电智能鞋垫及其控制方法与流程

本发明涉及一种鞋垫，具体涉及一种压力充电智能鞋垫及其控制方法。

背景技术：

近几十年来,利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究越来越受人们的重视,国内外许多科学家对压电材料的实验研究都已经证明压电材料有着广泛的用途,对压电材料特性的研究和发电能力的研究与探讨也已经获得了实质性的效果,这些为实现压电材料发电在实际中的应用打下了坚实的基础。

压电材料是一种节能型环保材料，是依靠外界振动使其发生变形而发电的；利用压电材料所制造的压电设备具有结构简单，成本低，易于实现，可小型化等优点。

国外研究的压电能量大多利用人力能量收集装置进行收集，对“压电能量收集鞋”的研究报道最多，这种能量收集装置的功率可以满足野外军事行动中通信联络和无线电跟踪电子装置的使用需求，展示了压电能量收集与储存技术的光明前景。

目前,关于压电发电与能量存储技术的研究在美国、日本、荷兰、以色列、西班牙等许多国家已经逐步深入,并且取得了一定的实验成果,但国内压电发电技术的研究尚处于起步阶段。

针对压力发电鞋的实用研究中如何提高电能转换的效率并尽量缩短充电时间，稳定地为传感器集成模块提供工作电压等问题仍函待解决。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种压力充电智能鞋垫及其控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种压力充电智能鞋垫，包括压电转换装置、储能模块、控制模块和传感器集成模块；

所述压电转换装置和储能模块电连接；所述压电转换装置用于将压力转化为电能，并将电能传输给储能模块；

所述储能模块通过控制模块和传感器集成模块电连接，所述储能模块用于对电流进行处理后再将电能进行储存，还用于给控制模块和传感器集成模块供电；

所述控制模块用于采集储能模块的存储的电量值信息和接收用户终端发送的控制信号，并根据预定判断步骤控制对传感器集成模块供电的开启或关闭，控制模块的初始状态为关闭对传感器集成模块的供电；

所述传感器集成模块用于在通电之后进行数据采集，并将采集的数据信号无线发送给用户终端。

所述控制模块包括上位机和控制开关，所述上位机用于进行信号采集和接收，并通过打开或关闭控制开关，控制对传感器集成模块的供电。

进一步的，所述压电转换装置为多块并联的压电陶瓷片。

进一步的，所述储能模块包括顺次连接的整流滤波电路、DC-DC升压电路、反馈控制电路和充电电池。

进一步的，所述反馈控制电路的连接方式具体为，DC-DC升压电路的电压输出端通过A/D转换器连接至单片机，单片机的PWM输出端连接驱动电路，驱动电路的PWM输出端连接至DC-DC升压电路的反馈信号输入端。

进一步的，所述单片机还连接电压调节按键，通过电压调节按键可控制单片机修改DC-DC升压电路的输出电压vout的预设值。

进一步的，所述单片机还连接显示模块，可实时显示DC-DC升压电路的输出电压vout的值。

进一步的，所述传感器集成模块包括压力传感器、动作感应器、GPS定位模块和人体数据检测模块中的一种或多种。

一种压力充电智能鞋垫的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、压力转换装置将压力转化为电能，并将电能传输给储能模块；

步骤S2、储能模块对电流进行处理后再将电能进行储存，并给控制模块和传感器集成模块供电；

步骤S3、控制模块采集储能模块的存储的电量值信息和接收用户终端发送的控制信号，并根据预定判断步骤控制对传感器集成模块供电的开启或关闭，控制模块的初始状态为关闭对传感器集成模块的供电；

步骤S4、传感器集成模块在通电之后进行数据采集，并将采集的数据信号无线发送给用户终端。

进一步的，所述预定判断步骤包括以下步骤：

步骤S3.1、控制模块判断是否接收到用户终端发送的控制信号，若接收到，进行步骤S3.2，若未接收到，保持对传感器集成模块的关闭供电状态；

步骤S3.2、判断储能模块的存储的电量值是否大于预定比例，若电量值大于预定比例，控制开启对传感器集成模块的供电；若电量值小于预定比例，保持对传感器集成模块的关闭供电状态。

进一步的，所述的预定比例为80％。

进一步的，所述步骤S2的储能模块对电流进行处理，具体为进行整流滤波、DC-DC升压、反馈控制和电能存储。

进一步的，所述反馈控制具体为，将经DC-DC升压电路升压后的输出电压vout进行A/D转换后得到第一输入信号，并将第一输入信号输入到单片机，单片机通过PI运算/PID运算后输出第一PWM信号，并将第一PWM信号输入至驱动芯片，驱动芯片输出第二PWM信号，并将第二PWM信号输入至DC-DC升压电路的反馈信号输入端。

进一步的，所述步骤S1之后，步骤S2之前，还包括修改DC-DC升压后的输出电压vout的预设值步骤。

进一步的，所述步骤S3之后，还包括对DC-DC升压电路的输出电压vout的值进行实时显示的步骤。

本发明的有益效果为：本发明提高了能量的转换效率，减少能源的损耗，设计了更全面的调理电路；还运用了自动控制原理实现稳定地输出电压；同时，进一步实现对充电电池的快速充电以及保护；根据充电量控制充电电池是否对用电模块进行供电，实现对用电模块的保护。且本发明的反馈控制电路对于输入扰动能够立即反应，动态响应速度快。

附图说明

图1为本发明总体连接原理示意图；

图2为本发明整流滤波电路连接示意图；

图3为本发明DC-DC升压电路和反馈控制电路连接示意图；

图4为本发明方法流程示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种压力充电智能鞋垫，包括压电转换装置、储能模块、控制模块和传感器集成模块；

所述压电转换装置和储能模块电连接；所述压电转换装置用于将压力转化为电能，并将电能传输给储能模块；

所述储能模块通过控制模块和传感器集成模块电连接，所述储能模块用于对电流进行处理后再将电能进行储存，还用于给控制模块和传感器集成模块供电；

所述控制模块用于采集储能模块的存储的电量值信息和接收用户终端发送的控制信号，并根据预定判断步骤控制对传感器集成模块供电的开启或关闭，控制模块的初始状态为关闭对传感器集成模块的供电；

所述传感器集成模块用于在通电之后进行数据采集，并将采集的数据信号无线发送给用户终端。

所述控制模块包括上位机和控制开关，所述上位机用于进行信号采集和接收，并通过打开或关闭控制开关，控制对传感器集成模块的供电。上位机可以对储能模块的存储的电量值进行显示，还可以将电量值信息发送给用户终端。

本发明的压电转换装置采用PZT-5陶瓷片，设计了简支支承结构。同时将压电片的形变限度设定在3mm以内，同时为了更快地给充电电池充电，也防止充电电流过小，采用了多块压电片并联的方式进行供电。

所述储能模块包括顺次连接的整流滤波电路、DC-DC升压电路、反馈控制电路和充电电池。

如图2所示，整流电路采用全桥整流，利用具有单向导电性能的整流元件二极管，把方向和大小都变化的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。

滤波电路利用储能元件电容器C两端的电压(或通过电感器L的电流)不能突变的性质，把电容C(或电感L)与整流电路的负载RL并联(或串联)，就可以将整流电路输出中的大部分交流成分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。此模块是小功率整流，本发明使用的是电容滤波。

如图3所示，所述反馈控制电路的连接方式具体为，DC-DC升压电路的电压输出端通过A/D转换器连接至单片机，单片机的PWM输出端连接驱动电路，驱动电路的PWM输出端连接至DC-DC升压电路的反馈信号输入端。

所述单片机还连接电压调节按键，通过电压调节按键可控制单片机修改DC-DC升压电路的输出电压vout的预设值。

所述单片机还连接显示模块，可实时显示DC-DC升压电路的输出电压vout的值。

所述传感器集成模块包括压力传感器、动作感应器、GPS定位模块和人体数据检测模块中的一种或多种。

如图4所示，一种压力充电智能鞋垫的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、压力转换装置将压力转化为电能，并将电能传输给储能模块；

步骤S1+、进行初始化；

步骤S1++、利用电压调节按键修改DC-DC升压后的输出电压vout的预设值或者不利用电压调节按键保持输出电压vout的预设值；

步骤S2、储能模块对电流进行处理后再将电能进行储存，并给控制模块和传感器集成模块供电；

步骤S3、控制模块采集储能模块的存储的电量值信息和接收用户终端发送的控制信号，并根据预定判断步骤控制对传感器集成模块供电的开启或关闭，控制模块的初始状态为关闭对传感器集成模块的供电；

所述预定判断步骤包括以下步骤：

步骤S3.1、控制模块判断是否接收到用户终端发送的控制信号，若接收到，进行步骤S3.2，若未接收到，保持对传感器集成模块的关闭供电状态；

步骤S3.2、判断储能模块的存储的电量值是否大于预定比例，若电量值大于预定比例，控制开启对传感器集成模块的供电；若电量值小于预定比例，保持对传感器集成模块的关闭供电状态。

所述的预定比例为80％。

步骤S3+、显示模块对DC-DC升压电路的输出电压vout的值进行实时显示。

步骤S4、传感器集成模块在通电之后进行数据采集，并将采集的数据信号无线发送给用户终端。

所述步骤S2的储能模块对电流进行处理，具体为进行整流滤波、DC-DC升压、反馈控制和电能存储。

所述反馈控制具体为，将经DC-DC升压电路升压后的输出电压vout进行A/D转换后得到第一输入信号，并将第一输入信号输入到单片机，单片机通过PI运算/PID运算后输出第一PWM信号，并将第一PWM信号输入至驱动芯片，驱动芯片输出第二PWM信号，并将第二PWM信号输入至DC-DC升压电路的反馈信号输入端。

单片机的PWM控制算法为PWM_Err＝P×Err+I×Err_Sum

其中，P为比例系数，I是积分系数，PWM-Err为输出电压与参考电压的差，Err-sum是差值的累计值。P算子对输出电压进行快速有效地控制，通过I算子可以降低静态误差。

DC-DC升压电路的参数设计：

测试压电片输入电压为：2.5V～3V，理想输出电压为：10V

①占空比D：

$D=V-\frac{V_S}{V_O}---\left(1\right)$

②临界负载电流I_OB：

$I_{OB}=\frac{V_O}{2{\mathrm{Lf}}_S}D{(1-D)}^2---\left(2\right)$

当D取接近1/3时，I_OB取最大值，所以此处D取0.7

③电感L：

$L\≥\frac{V_O}{2f_S\×I_{OB}}D{(1-D)}^2---\left(3\right)$

④截止频率f_c(取纹波系数为1％)：

$f_C=\frac{1}{RC}\≤\frac{0.01\×f_S}{D}---\left(4\right)$

⑤电容C：

$C\≥\frac{1}{R_{\min }{f}_C}=\frac{1}{\frac{V_O}{I_{Omax}}{f}_C}---\left(5\right)$

带入V_O＝10V,V_in＝2.5V～3V,I_OB＝15mA,f_s＝40kHz得L≥0.525mH,C≥2.8μF,R≥513Ω，在实际选用器件中微调了参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。