CN103516170A - 具有人手开关动作能量收集功能的rf开关控制系统 - Google Patents

Abstract

普通的“RF控制开关系统”发射端供电由电池或市电提供。市电需要拉布线，电池供电由一定的寿命，到期需要更换，使用成本随之增加。本发射端无源的RF开关控制系统利用人体开关动作机械能通过电磁感应原理产生电路所需要的电能，开关发送端无需拉布线，移动、检修方便。接收端由特定的电路元件和机构组成，接收距离可达500米。超低功耗，适合于拉布线受限制和需要经常移动开关位置的应用。

Description

具有人手开关动作能量收集功能的RF开关控制系统

所属技术领域

本发明涉及一种具有开关动作能量收集功能的RF开关控制系统，可应用于照明控制、工业控制领域。

背景技术

目前，一般的RF开关控制系统，其发射端虽然不需要与控制对象有导线相连，但仍需要电池或市电提供能源。市电需要拉布导线，安装后如需移动很不方便；而电池要即时更换，过多使用电池会产生环境保护方面的问题，也会增加使用成本。

为了解决一般的RF开关控制系统发射端需要拉布线或使用电池的问题，本发明提供一种收集人手开关动作(按、左右转动)产生的能量，应用电磁感应的原理，通过特殊的双稳态永磁机构(图1、图2、图3、图4)或磁阻式步进电机组成的能量收集装置(图5、图6、图7)实现了RF发射端无需电池和市电从而完全无需拉布导线的RF开关控制系统。

发明内容

本发明利用人们开关动作(按、左右转动)产生的能量，应用电磁感应的原理，通过特殊的双稳态永磁机构(图1、图2、图3、图4)或磁阻式步进电机组成的能量收集装置(图5、图6、图7)实现了RF发射端无需电池和市电的RF开关控制系统。可提供“开”、“关”、“增加”、“减小”共四个命令(后两个命令只有使用磁阻式步进电机组成的能量收集装置才可实现)。因而可实现对LED照明灯的开关和调光功能，也可应用于门禁系统。其开关控制部分(RF发送单元)结构简单，成本低廉。RF接收执行单元的电路设计使用了磁保持继电器、高效的微功率AC/DC电源模块，具有极低的功率消耗。

附图说明

以下结合附图进一步阐述能量收集机构工作原理和电路处理技术。

图1所示的是一种“双稳态的角位移运动能量收集机构”与开关面板的组装三维结构图。电路板可以安装在面板的下部、“双稳态的角位移运动能量收集机构”的两侧。

图2所示的是一种“双稳态的角位移运动能量收集机构”的俯视图。

图3所示的是一种“双稳态的角位移运动能量收集机构”的A-A剖面图。图中1.按钮2.开关面板3.永久磁铁4.轴5.线圈6.导磁骨架。其中零件1由导磁材料组成。

图4所示的是“双稳态的角位移运动能量收集机构”在左稳定态的主要磁通走向，由图中的曲线示意。曲线上的箭头表示磁通的方向，N、S表示永久磁铁的磁极。

“双稳态的角位移运动能量收集机构”工作原理说明如下：

图2、3、4中的永久磁铁产生的磁通因周边存在导磁材料，其走向选择磁阻最小的路径。由于导磁骨架(6)为山字型，其中间柱子的顶端呈倒V字型结构，从机械原理可知，如果只考虑重力，按钮(1)只能稳定停留在左、右两个状态。图4所示的是左稳定态。这时的磁通走向在图4中示意画出；即：大部分磁通会从左边的通道返回永久磁铁；根据磁学原理可知：由于图4所示磁通的存在，在按钮(1)与导磁骨架(6)左边柱子存在静磁力(吸引力)，这个静磁力(吸引力)与通过二者接触面的磁通量大小成正比。当永久磁铁所产生的磁通大到一定程度，这个静磁力(吸引力)可克服重力的影响，使按钮(1)稳定停留在左或右两个状态而无论重力的方向如何。

在图4中，由于按钮(1)与导磁骨架(6)右边立柱之间有较大气隙，磁阻很大，右边的线圈中所通过的磁通相比左边小很多，故在图4中未画出。

在图4所示的左稳态下，在右边按下按钮(1)，由于外力的作用，机构会从左稳态向右稳态转化，通过左边线圈的磁通由大减小；右边线圈的磁通由小增大。根据法拉第电磁感应定律，左、右线圈会感应出符号相反地电动势。由于结构的对称性，在右稳态下，在左边按下按钮(1)，会在右、左两个线圈产生与之对应的2个感应电动势。该感应电动势经过整流滤波后作为DC/DC电源模块的输入。

轴(4)的功能是用作铰链，防止按钮(1)运动时的左右位移。导磁骨架(6)中间柱子的顶端呈倒V字型结构，按钮(1)导磁骨架(6)中间柱子为面接触，同时保证按钮(1)可以绕轴(4)左右转动一定角度。同样导磁骨架(6)左右两边柱子的斜面是为了与按钮(1)成面接触，减小磁阻。

该“双稳态的角位移运动能量收集机构”输出功率的大小与线圈(5)、永久磁铁(3)、导磁骨架(6)的大小有关。一般来讲：功率与线圈(1)匝数成正比，与永久磁铁(3)所具有的磁场能量正比，与导磁骨架(6)的截面积成正比。按钮(1)与导磁骨架(6)的接触面积也有很大的影响。在具体应用中需要进行优化设计。

图5是“磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构”与开关面板的三维装配图。

图6是“磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构”与开关面板的俯视图。

图7是“磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构”与开关面板的A-A剖面图。图中1.旋钮2.开关面板3.电机轴4.复位按钮5.压缩弹簧6.导向壳7.电机外壳8.电机转子。复位按钮(4)的两端接至图8中的J5插座。

图5、6、7所示的“磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构”，其工作原理是逆向使用磁阻式步进电机，将其当做发电机使用。以2相步进电机驱动为例：“A相通电→AB相同时通电→B相通电”为一次驱动循环。磁阻式步进电机用作发电机时会在A、B相线圈上产生对应的感应电动势，类似于永磁交流发电机。由于磁阻式步进电机的特点：在人手适应的一般常用旋钮转速与转动力矩条件下，可以输出符合需要的交流电压，加之其制造工艺成熟，一般5-12V驱动，步进角小于等于1.8度的磁阻式步进电机可以很好满足RF开关控制系统发射端对电源的需求。

为了满足LED灯具连续调光应用，需要让旋钮的动作有几种不同的状态以便MCU检测，从而发射不同的命令到接收端。图5、6、7所示的结构可以通过向上拉动旋钮(1)打开复位按钮(4)同时又可左右旋动旋钮(i)，因此可以构建以下4种状态：

旋钮(1)右旋：对应命令：开(灯)。

旋钮(1)左旋：对应命令：关(灯)。

拉旋钮(1)并右旋：对应命令：向上调光。

拉旋钮(1)并左旋：对应命令：向下调光。

注意在左旋和右旋旋钮(1)时，磁阻式步进电机A、B相的输出电压会有不同的相位差，这个相位差经由图6的电路由MCU检测到，从而区分左旋和右旋。具体的检测原理在图6的说明中阐述。

图7中压缩弹簧(5)的作用是将整个结构保持在一个初始状态，该状态复位按钮(4)为断开状态，旋钮(1)旋动后电路只能发出开或关两个命令中的其中一个。拉动旋钮(1)，电机向上运动进而压住复位按钮(4)使其接通；这时向左旋动旋钮(1)后电路可以发出向下调光命令，向右旋动旋钮(1)后电路可以发出向上调光命令。松开旋钮(1)后，在压缩弹簧(5)的作用下，结构恢复到初始状态。

图7中的导向壳(6)可以限制电机本体只能垂直上下滑动。

电路板可以安装在导向壳(6)的外部底面、侧面以及开关面板(2)的下部。

图8是“具有开关动作能量收集功能的RF开关控制系统”发送端电路原理图。

由能量收集机构输出的交流电压经J3、J4输入，D1、D2整流桥整流后，交由M1、M2、R1、R2、R4、R5、C20、C21构成的滤波电路；由于不同的能量收集机构输出的电压幅值不同，其阻、容参数须有针对性的调整。U2及周边电阻、电容、电感构成DC/DC稳压电路，可输出稳定的3.3V电压。

U1是Silicon Laboratories出品的SI4010，内部集成RF发送器和MCU。MCU的端口IO1和IO2用于检测交流输出的相位差别，IO3用于检测用户选择输入的开关量。

J1为SI4010的调试接口，J2为编程接口。J5为图7中复位按钮(4)连接插座。

M3、M4及电阻构成相位检测接口电路，用于将2路交流输入的相位差转换为TTL电平连接到MCU的端口IO1和IO2。程序设计需将IO1和IO2配置为下降沿中断方式，根据中断的先后次序即可区分“左旋”、“右旋”。

图7中的复位按钮(4)一端接IO3，另一端接地；并将IO3配置为上拉。当复位按钮(4)接通时IO3为低电平，当按钮开关断开时IO3为高电平。

正常开关操作：仅仅左或右转动图7中旋钮(1)。IO3为高电平。可实现开关功能。左旋为关，右旋为开。

调光操作：上拉旋钮同时左或右转动旋钮。IO3为低电平。可实现向下或向上调光功能。

编程时，对于左旋，发向下调光命令，接收端接到向下调光命令后，通过MCU的电流源端口将电流源的吸电流值向下降低一个步长。每收到一个向下调光命令，都相应下调一个电流步长；至电流源的电流值调到一个最小值(最小亮度)，如果再收到一个向下调光命令MCU就执行“关”操作。向上调光与此类似。调至一个最大值(最大亮度)后，如果再收到向上调光命令，MCU将忽略该命令。

图9是“具有开关动作能量收集功能的RF开关控制系统”接收端电路原理框图。

RF接收选用Silicon Laboratories出品的SI4313，主控MCU选用具有可编程电流源的C8051F980以方便1.0-11.0V输出的调光协议。同时也具有超低功耗的特点。

M1，M2构成磁保持继电器的驱动电路，MCU每次只需发一个方波信号即可打开或关闭继电器，无需保持电流；开关状态保持由静磁力实现。由于接收端需常年工作，功率消耗是系统的首要指标。选用该方案的主要考虑是降低接收系统的功耗。

图10是“具有开关动作能量收集功能的RF开关控制系统”发送端、接收端电路原理框图。便于理解整个系统的工作原理。

Claims (6)

1.一种双稳态的永磁角位移能量收集机构，具有左、右两种稳定状态，可以将角位移运动能量转化为电能；其特征是：一个山字形状的导磁材料骨架，在其左右柱子上分别安装有2组线圈；中间柱子的顶端呈倒V字型，其顶端左右中心位置安装固定了一个前后向的圆轴。左、右柱子的顶部分别为向左、右倾斜的斜面，分别与中间柱子的顶端左、右倾斜面在同一平面内；一个截面为长方形的条型导磁材料，在其左右中间安装固定了一个长方体的强磁永久磁铁，其磁极为上下分布；磁铁的底部左右中心处开有一个前后贯通的半圆槽与圆轴设计为动配合，条型导磁材料安装在山字型导磁材料骨架上后，可以以圆轴为中心左右转动一定角度。

2.权利要求1中所述的双稳态的永磁角位移能量收集机构，将其截面为长方形的条型导磁材料用作开关的按钮，分别按下其两端，永磁机构会在左、右两个稳定状态之间切换，每次切换都会在两边的线圈中产生感应电动势，从而将按钮动作转换为电能输出。

3.权利要求1中所述的山字型导磁材料骨架与条型导磁材料的接触为平面形式，但由此结构的作用原理可引申为曲面或多个平面相组合的组合面接触。

4.权利要求1中所述的山字型导磁材料骨架、条型导磁材料的截面形状可以引申为圆形、椭圆形以及长方形与圆形、椭圆形的组合形状。

5.一种磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构，其特征是：一个旋钮，一个位于旋钮下方的开关面板，一个位于开关面板下方的长方体壳体称作导向壳，一个安装在导向壳中的磁阻式步进电机，磁阻式步进电机仅能在导向壳中上下运动，磁阻式步进电机输出轴向上穿过开关面板与旋钮紧固；磁阻式步进电机的上部与开关面板之间安装有一个压缩弹簧，开关面板下部安装了一个复位按钮，复位按钮的两引脚接到相应的处理电路。

6.权利要求5中所述的磁阻式步进电机旋转运动能量收集机构，其复位按钮也可以安装在长方体壳体的内底面，压缩弹簧也可以安装在长方体壳体的内底面与磁阻式步进电机的底部之间。

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