CN108134444A - 一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，包括：承压缓冲机构、压电发电装置、转化处理电路、电能储存单元、感应控制装置和报警指示照明设备；承压缓冲机构将人体行走踩踏的机械能进行收集，压电发电装置通过导线将产生的电荷电流传输到转化处理电路中进行整流滤波和稳压处理，处理后的电能储存在电能储存单元中，当发生紧急情况时，感应控制装置作出反应，电能储存单元中的电能用于报警指示照明设备进行工作，协助人们逃离危险区域。本发明能够大大减少电量的损耗，把平时无法利用的能量充分利用起来。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷发电技术领域，尤其是一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统。
背景技术
随着时代进步，科学的发展，环保理念已经慢慢深入人心。为了低碳节能环保，每个人都在献出自己的力量。在一些公共场所，例如：地铁站、办公楼、大型商场、酒店等人流量多的地方，人们在行走对地面踩踏的能量没有很好的利用，造成了能量的流失。
目前，传统的发电方式对环境的影响很大，我们迫切需要各种环保新能源的发展，其中压电陶瓷发电技术已经慢慢的在现实中得到应用。
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷。
在日常的生产过程或社会活动中，由于人的因素、物的变化以及环境的影响等会产生各种各样的问题、缺陷、故障、苗头、隐患等不安全因素。当发生安全事故时，例如火灾，很多人在发现灾难已经发生时，由于环境因素缺少警报以及指示照明，无法及时逃离现场，造成重大人员伤亡事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，能够大大减少电量的损耗，把平时无法利用的能量充分利用起来。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，包括：承压缓冲机构、压电发电装置、转化处理电路、电能储存单元、感应控制装置和报警指示照明设备；承压缓冲机构将人体行走踩踏的机械能进行收集，压电发电装置通过导线将产生的电荷电流传输到转化处理电路中进行整流滤波和稳压处理，处理后的电能储存在电能储存单元中，当发生紧急情况时，感应控制装置作出反应，电能储存单元中的电能用于报警指示照明设备进行工作，协助人们逃离危险区域。
优选的，承压缓冲机构包括两块木板、若干个弹簧和柱形橡胶块；两块木板作为机构上部接收人体踩踏的承受部分以及下部分对地的承压部分，中间采用的高强度的若干个弹簧和柱形橡胶块。
优选的，压电发电装置包括若干片压电陶瓷，若干片压电陶瓷并联。
优选的，转化处理电路包括三倍压整流滤波电路和7805稳压电路；三倍压整流滤波电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第一电源V1，第一电源V1、第一电容C1、第二二极管D2和第二电容C2依次相连组成一个回路，第一二极管D1并联在第一电容C1和第二二极管D2两端，第三二极管D3和第三电容C3串联后并联在第二二极管D2和第二电容C2两端；7805稳压电路包括LM7805、第四二极管D4、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6，第四二极管D4和第六电容C6相串联后一端连在电源正极，另一端连接在电源负极，LM7805、第四电容C4、第五电容C5分别并联在第六电容C6两端。
优选的，电能储存单元选用5个容量为2600mah的18650锂电池组。
优选的，感应控制装置由arduino控制器控制外设的烟雾传感器、火焰传感器和温度传感器。
优选的，报警指示照明设备包括声光报警器、逃离箭头指示灯和LED照明灯；声光报警器通过引线布置在走到两边的墙壁上，逃离箭头指示灯安放在过道的地面上，LED照明灯安放在过道的顶部或者过道两边的墙壁上。
本发明的有益效果为：本发明的供电均来源于平时人员对地面的踩踏产生的机械能，经过压电发电装置和转化处理电路后储存在锂电池中的电量，不需要从电网中进行供电，大大减少了电量的损耗，把平时无法利用的能量充分利用起来，实现了集发电-收集-储存-使用为一体的高效节能系统。
附图说明
图1为本发明的整体系统结构示意图。
图2为本发明的承压缓冲机构的结构示意图。
图3为本发明压电陶瓷的两种物理效应的示意图。
图4为本发明的三倍压整流滤波电路结构示意图。
图5为本发明的7805稳压电路结构示意图。
其中，1、弹簧；2、复合木板；3、橡胶柱；4、压电陶瓷；5、导线。
具体实施方式
如图1所示，一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，包括：承压缓冲机构、压电发电装置、转化处理电路、电能储存单元、感应控制装置和报警指示照明设备；承压缓冲机构将人体行走踩踏的机械能进行收集，压电发电装置通过导线将产生的电荷电流传输到转化处理电路中进行整流滤波和稳压处理，处理后的电能储存在电能储存单元中，当发生紧急情况时，感应控制装置作出反应，电能储存单元中的电能用于报警指示照明设备进行工作，协助人们逃离危险区域。
如图2所示，承压缓冲机构采用的是两块复合木板作为机构上部接收人体踩踏的承受部分以及下部分对地的承压部分，其中间采用的是高强度弹簧和橡胶柱。承压缓冲机构用于将人体行走踩踏的机械能进行收集，为了避免人体强烈的踩踏强度对压电发电装置的负面影响，特此在承压板和压电发电装置中加入了弹簧缓冲结构。
如图3所示，对于压电发电装置来说，根据实验探究，可得出结果：当压电陶瓷多片并联在一起时，其两端产生的负载电压是成倍增长的，故本发明采用了多片压电陶瓷并联的方式连接，以此来增加压电陶瓷产生的电流。压电发电装置由多块陶瓷压电片并联组成，然后通过导线将产生的电荷电流传输到转化处理电路中进行整流滤波、稳压处理。
正压电效应：当对压电陶瓷施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为"正压电效应"。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。
逆压电效应：逆压电效应是指当在压电陶瓷的极化方向施加电场，此时压电陶瓷就在一定方向上产生机械变形或机械压力，而当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种由于外加电场从而使压电陶瓷发生形变的现象称为“逆压电效应”。压电效应的实质是电能转换为机械能的过程。
而本系统采用的就是压电陶瓷的正压电效应，当压电陶瓷受到外界的压力时在其两端就会产生电势差，从而在回路中形成电流。
如图4和图5所示，对于转化处理装置来说：发电装置由压电陶瓷构成。压电陶瓷由金属片、压电片组成。在金属表面粘贴压电片，分别从金属片和压电片上引出电极由于人走动产生压力，使得压电振子产生形变，进而引起压电层内应变和应力的变化。根据压电陶瓷的压电效应，在压电片表面会产生电荷，从而产生电压。试验中输入为机械能，输出为电能，由于人走动过程中产生的能量不稳定，压电陶瓷输出的电压不是稳定值，且压电陶瓷产生的是交流电，所以本发明采用三倍压整流滤波电路进行整流和滤波。然后采用7805稳压电路进行稳压处理，此时输出的电压为稳定值。
转换处理电路中的整流滤波电路，由于压电陶瓷片在外力有规则的冲击作用下，其电压和电流呈现交变特性，但是给电能储存单元充电是需要稳压直流电流的，所以为了尽可能提高输出电压，设计了三倍压整流滤波电路。
转换处理电路中得7805稳压电路，由于压电陶瓷发电装置的电压和电流都不稳定，瞬时电压存在着突变，而电池在充电需要稳定的电压，这就需要把突变的电压进行恒定处理。
三倍压整流滤波电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第一电源V1，第一电源V1、第一电容C1、第二二极管D2和第二电容C2依次相连组成一个回路，第一二极管D1并联在第一电容C1和第二二极管D2两端，第三二极管D3和第三电容C3串联后并联在第二二极管D2和第二电容C2两端；7805稳压电路包括LM7805、第四二极管D4、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6，第四二极管D4和第六电容C6相串联后一端连在电源正极，另一端连接在电源负极，LM7805、第四电容C4、第五电容C5分别并联在第六电容C6两端。
本发明采用的是目前市场上常见的18650型锂电池，此型号锂电池具有体积小、安全、容量大、充放电寿命长等优点，处理后的电能可用18650锂电池进行储存。当发生紧急情况时，感应识别装置即可做出反应，发电储存的电能就即可用声光报警，并点亮指示灯、照明灯，协助人们逃离危险区域。
对于感应控制电路，该电路由目前功能强大兼容性高的开源智能硬件arduino微控制器控制，电路中含有多个高灵敏度的度的传感器，可感应烟雾浓度、周围环境温度、火焰等参数。微控制器将作出应急反应，打开声光报警器以及指示照明电路。
对于报警指示照明设备，声光报警采用的的市面上常见的声光报警器，安放在所需安放地点的顶部。指示灯可镶嵌入地面也可悬挂到顶部，在紧急情况下指引人员前往安全出口，照明设备可提供应急照明。
上述的控制电路以及报警指示照明设备的供电均来源于平时人员对地面的踩踏产生的机械能，经过压电发电装置和转化处理电路后储存在锂电池中的电量，不需要从电网中进行供电。大大减少了电量的损耗，把平时无法利用的能量充分利用起来，实现了集发电-收集-储存-使用为一体的高效节能系统。
因为压电陶瓷为环保材料，利用正压电效应，将环境中的机械能转换为电能并进行供电。此类装置具有简单、不发热、无电磁干扰、易于实现集成化等优点，适用范围极其广泛。近年来随着物理学、材料学与微加工技术的发展，具有高压电、介电性能的压电材料不断被开发出来，压电材料机电转换能力大幅提高，为压电发电技术的实际应用提供了技术保障。
本系统可以将人走动时产生的不可利用的机械能转化为可被利用的电能，产生的电能即可直接用于供电，也可用于储备，而且装置简单，极易安装，成本低，利用率高。将平时人们走动时无法利用的能量合理的收集起来，转换成电能，从而实现照明报警等的工作需求，避免了直接从电网中连接电源，减少在紧急状况下电网断电和人员触电事故。
从国内外发展来看，利用压电陶瓷逆压电效应的技术比较成熟，例如在微操作和精密驱动系统、振动主动控制、微小机器人等领域都有比较成熟的应用技术。但是利用压电陶瓷正发电效应的例子并不多，本系统符合人类可持续发展的战略政策，实现了能量的可回收利用。
Claims (7)
1.一种基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，包括：承压缓冲机构、压电发电装置、转化处理电路、电能储存单元、感应控制装置和报警指示照明设备；承压缓冲机构将人体行走踩踏的机械能进行收集，压电发电装置通过导线将产生的电荷电流传输到转化处理电路中进行整流滤波和稳压处理，处理后的电能储存在电能储存单元中，当发生紧急情况时，感应控制装置作出反应，电能储存单元中的电能用于报警指示照明设备进行工作，协助人们逃离危险区域。
2.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，承压缓冲机构包括两块木板、若干个弹簧和柱形橡胶块；两块木板作为机构上部接收人体踩踏的承受部分以及下部分对地的承压部分，中间采用的高强度的若干个弹簧和柱形橡胶块。
3.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，压电发电装置包括若干片压电陶瓷，若干片压电陶瓷并联。
4.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，转化处理电路包括三倍压整流滤波电路和7805稳压电路；三倍压整流滤波电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第一电源V1，第一电源V1、第一电容C1、第二二极管D2和第二电容C2依次相连组成一个回路，第一二极管D1并联在第一电容C1和第二二极管D2两端，第三二极管D3和第三电容C3串联后并联在第二二极管D2和第二电容C2两端；7805稳压电路包括LM7805、第四二极管D4、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6，第四二极管D4和第六电容C6相串联后一端连在电源正极，另一端连接在电源负极，LM7805、第四电容C4、第五电容C5分别并联在第六电容C6两端。
5.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，电能储存单元选用5个容量为2600mah的18650锂电池组。
6.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，感应控制装置由arduino控制器控制外设的烟雾传感器、火焰传感器和温度传感器。
7.如权利要求1所述的基于压电陶瓷的应急逃生发电报警指示照明系统，其特征在于，报警指示照明设备包括声光报警器、逃离箭头指示灯和LED照明灯；声光报警器通过引线布置在走到两边的墙壁上，逃离箭头指示灯安放在过道的地面上，LED照明灯安放在过道的顶部或者过道两边的墙壁上。
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