摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于壓電材料發(fā)電的技術(shù)日益純熟，用此項(xiàng)技術(shù)來(lái)創(chuàng)新發(fā)明的產(chǎn)品越來(lái)越多。本文介紹的即是基于壓電技術(shù)基礎(chǔ)上的一種電暖鞋的創(chuàng)新思路，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)有效的解決了生活中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì) 壓電技術(shù) 電暖鞋

中圖分類(lèi)號(hào)：TM564文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0061-01

鞋子是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚S著生活水平的不斷提高，人們對(duì)鞋子的要求不僅僅從美觀上升到了舒適，甚至追求其實(shí)現(xiàn)更多的功能來(lái)滿(mǎn)足人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求。你是否還在為冬天的鞋子抵擋不住嚴(yán)寒的天氣而煩惱？你是否還在為鞋子不停的汗?jié)穸鴳n(yōu)愁？立足于此，我們?cè)O(shè)想了一款以保暖為主要功能的電暖鞋。

1 原理

1.1 壓電材料發(fā)電原理

當(dāng)一陶瓷片在壓力作用下上下表面產(chǎn)生電荷，其相當(dāng)于一個(gè)電容，電容在其兩極產(chǎn)生電荷后就儲(chǔ)存了一定能量。從電學(xué)角度來(lái)看，壓電片可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源ip（t），與內(nèi)在的電極電容Cp并聯(lián)，如下所示。假設(shè)電流源和電極電容Cp恒定，負(fù)載可調(diào)。由戴維南等效定理，該電路中阻抗為：

當(dāng)時(shí)，即外接負(fù)載電阻和壓電片等效阻抗相等時(shí)，負(fù)載吸收的能量最大。

1.2 能量傳輸和利用效率分析

當(dāng)作用在壓電片上的力消失后，壓電元件產(chǎn)生的電荷立即消失。因此，需要外接電容對(duì)壓電元件產(chǎn)生的電荷進(jìn)行儲(chǔ)存。設(shè)壓電元件間電容為Cp，外接電容為C，產(chǎn)生的電能在兩者之間再分配，根據(jù)傳輸結(jié)束后電壓相等的關(guān)系，設(shè)C=aCp，其中，C為外接電容；Cp為壓電元件間電容；。則電容C上儲(chǔ)存的能量與產(chǎn)生能量的傳輸效率：

當(dāng)，得a=1到。即C=Cp時(shí)，傳輸效率最大，此時(shí)n=25%。

1.3 能量收集過(guò)程

1.3.1 能量收集原理

壓電元件產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的， 是以不規(guī)則的隨機(jī)突發(fā)形式提供能量，由于受力的方向不同，極化方向不同，故而產(chǎn)生的電流方向也不同，使得壓電陶瓷產(chǎn)生的是微弱的交流電。在能量收集過(guò)程中，我們將壓電陶瓷與整流電路相連，將交流轉(zhuǎn)化為直流。由于產(chǎn)生的電壓與壓力有關(guān)，壓力的大小直接影響電壓的大小，所以產(chǎn)生的電能是不穩(wěn)定的。為了收集產(chǎn)生的電能，我們將電能與充電芯片相連，產(chǎn)生恒流對(duì)充電電池進(jìn)行充電。

1.3.2 能量收集電路

我們使用CN3063芯片作為控制芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，運(yùn)行無(wú)需微處理器控制，可以將一節(jié)鋰電池恒流充電達(dá)500mA。當(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和電池端電壓時(shí)，CN3063開(kāi)始對(duì)電池充電，CHRG管腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB）的電壓超過(guò)3V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電， 充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET確定。

1.4 電路控制

電路控制部分主要由51單片機(jī)（stc89 c51）、傳感器、執(zhí)行器和隔離電路組成。STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。本項(xiàng)目使用的是溫度和濕度傳感器，測(cè)濕電路與單片機(jī)相連，利用覆蓋在基片上的一層感濕材料制成的膜來(lái)吸附水蒸氣導(dǎo)致濕敏電阻電阻率和電阻值發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)試濕度。通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)周?chē)鷾囟鹊淖兓瘡亩纬煽刂菩盘?hào)。執(zhí)行器采用的是熱電偶，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后 ， 即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。由半導(dǎo)體管敏感器件和發(fā)光二極管構(gòu)成光電隔離電路，工作時(shí)把輸入信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光管發(fā)光，光敏器件在磁光輻射下輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電光點(diǎn)的兩次轉(zhuǎn)換。

2 組合方式

為增強(qiáng)發(fā)電裝置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。

由于壓電振子在每個(gè)振動(dòng)周期產(chǎn)生的能量很小，且輸出為高電壓低電流的交流電。在實(shí)驗(yàn)中采取壓電陶瓷并聯(lián)的方式，可以獲取更大的電流。同時(shí)，在能量收集電路中，外接電容與壓電陶瓷極間電容相等時(shí)，能量傳輸效率最大，為25%。在壓力一定的情況下，壓電陶瓷裝置的發(fā)電能力隨著片數(shù)的增加呈現(xiàn)遞增態(tài)勢(shì)，因此，也可以增加壓電陶瓷片數(shù)，來(lái)提高輸出功率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上設(shè)想，理論上能把人行走過(guò)程中的一部分能量轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到節(jié)能的目的。盡管現(xiàn)在的設(shè)計(jì)還不夠純熟，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，新材料的不斷涌現(xiàn)，定會(huì)使發(fā)電效率大大的提高，做出真正實(shí)用的物品。

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