CN111121816A - 一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器 - Google Patents

一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及运动计数传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器。当人体运动时，摩擦纳米发电机收集运动产生的能量并发出电信号，通过信号检测电路判断电压的大小，由此判断人体运动姿势，然后将检测到的0、1信号输入单片机1，单片机1将信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。其中，单片机1及单片机2的外围电路均由电源电路、晶振以及复位电路组成，通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。本发明结构简单、性能优越、系统稳定，实现了自供能。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器
技术领域
本发明涉及运动计数传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器。
背景技术
可穿戴设备是指直接穿在身上，或是整合到用户的衣服、配件的一种便携式设备。目前，传统的可穿戴设备是通过电池供电，这就需要频繁的更换电池，大大的限制了可穿戴设备的应用。为了解决这个问题，自供电的可穿戴能量收集器受到了越来越多的关注。
计数器主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能。现有的运动计数器多为通过一个运动部件的晃动触发计数器的脉冲信号，产生数据，这样的记录不够准确，同时在运动的时候，计数器的晃动会对人体运动产生影响并会产生噪声。申请号为CN201810457579.2的发明专利提出了一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，但是其结构复杂，制作较难，并且其仅是对运动步数进行计数，并不能对走路以及跑步不同的运动姿势进行检测，存在一定的缺陷。
发明内容
基于此，本专利提出一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器，将摩擦纳米发电机与鞋垫结合，其结构简单，制作方便，性能优越，计数精确，可实现自供能，同时运动时不会产生噪声，并且能实现对走路以及跑步不同的运动姿势进行检测，然后分别进行计数、显示。
本发明解决的技术问题是针对现有技术缺陷，提出一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器，其结构简单、性能优越、系统稳定，实现了自供能，用以解决现有技术存在的问题。
所述多功能运动计数器包括摩擦纳米发电机，信号检测电路，单片机1，单片机2，电源电路，蓝牙主模块，蓝牙从模块以及显示屏。摩擦纳米发电机主要由基底，弹性导电层，导线以及第一摩擦层组成。
本发明的系统总体结构图如图1所示，当人体运动时，摩擦纳米发电机收集运动产生的能量并发出电信号，通过信号检测电路判断电压的大小，由此判断人体运动姿势，然后将检测到的0、1信号输入单片机1，单片机1将信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。其中，单片机1及单片机2的外围电路均由电源电路、晶振以及复位电路组成，通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。
其中，本发明摩擦纳米发电机的主体结构图如图2所示，结构主要由基底，弹性导电层，导线以及第一摩擦层构成。为了提高的摩擦纳米发电机的可拉伸性能，基底采用美国Smooth-On公司生产的Ecoflex00-30硅橡胶制备；将Ecoflex00-30@CB@CNTs混合制备弹性导电层；采用热压印法将砂纸的微图案复制到硅胶薄膜表面制备第一摩擦层，可以增加摩擦纳米发电机的接触面积，进而提高输出性能。
其中，摩擦纳米发电机的制备流程如下所述。首先，将Ecoflex00-30硅橡胶的组分A和B以1：1的质量比均匀混合在一起，使用丙烯酸片材作为基材，将涂膜器的厚度设定为0.4mm，将硅橡胶混合物放在烘胶台上，在80℃下固化30分钟；同时制备两片半固化硅橡胶膜，一片用作硅橡胶膜基底，另一片用于制备第一摩擦层。其次，将质量比为1:4的碳纳米管(CNT)和石墨颗粒加入到乙醇中并超声搅拌20分钟，然后将CNT和石墨颗粒的混合物倒入将Ecoflex00-30硅橡胶的组分A和B以1：1的质量比均匀混合的硅橡胶中以制备导电弹性体混合物，其中CNT，石墨颗粒和硅橡胶的重量比为1：4：100，搅拌均匀并真空脱气后，以kapton胶带作为掩膜版，将制备的导电弹性体混合物倒入已经半固化的硅橡胶薄基底上，在80℃下固化15分钟，制备半固化的弹性导电层。然后用Ag胶将铜线胶合在弹性导电层，以此作为导线。同时，采用热压印法将砂纸微图案复制到用于制备第一摩擦层的半固化硅橡胶膜表面，并以此作为第一摩擦层。最后将制备带有砂纸微图案的第一摩擦层放置于半固化的弹性导电层，并再固化1个小时。所述砂纸采用鹰牌5000目砂纸。
分别制备、安装两片摩擦纳米发电机在同一个鞋垫上，其中摩擦纳米发电机的形状与鞋垫的形状匹配，一片通过导线与电源电路相连，并经过整流处理之后给单片机1及蓝牙主模块供电，实现自供能；另一片用于检测运动姿势并计数。
所述电源电路包括变压器、整流桥、电容以及稳压管，用以将摩擦纳米发电机产生的交流电转化为5V的直流电，给单片机1和蓝牙主模块供电。
所述信号检测电路包括二极管、电阻以及运算放大器。首先，将摩擦纳米发电机产生的电信号通过二极管变成单向电流，然后输入到运算放大器的同相端，运算放大器的反向端通过分压电路设置为固定值20V，将同相端的电压与反向端的电压进行比较，当电压高于20V时，运算放大器输出端为高电平，此时为跑步状态；当电压低于20V时，输出端为低电平，此时为走路状态。
信号检测电路的输出端与单片机1的P1.0口相连，所述单片机1为89C51单片机。将单片机1检测到的0,1信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。单片机1及单片机2的外围电路均由电源电路、晶振以及复位电路组成，通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。显示屏采用LCD显示屏或者LED显示屏。
其中摩擦纳米发电机，信号检测电路，单片机1，电源电路及蓝牙主模块直接集成并安装在鞋垫上，单片机2，蓝牙从模块以及显示屏集成于手表上，手表可直接佩戴在手上，并实时观测数据。单片机2、蓝牙从模块由电池供电。
附图说明
图1所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的系统总体结构图；
图2所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的主体结构图；
图3所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的制备含有砂纸微图案的硅胶薄膜的光学照片；
图4a所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器在走路时产生的时域电压示意图，图4b所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器在走跑步时产生的时域电压示意图；
图5所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的电源电路；
图6所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的信号检测电路；
图7所述为基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数器的单片机电路；
图中，1、基底，2、弹性导电层，3、第一摩擦层，4、导线。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述的具体实施方式，并参照附图，对本发明做详细说明。
图1示出了本发明的系统总体结构图。人体运动，产生能量，摩擦纳米发电机收集这个能量并发出电信号，将电信号输入信号检测电路并判断电压的大小，由此判断人体运动姿势，然后将检测到的0、1信号输入单片机1，单片机1将信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。其中，单片机1及单片机2外围电路包括电源电路、晶振以及复位电路，通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。
图2示出了本发明的主体结构图，该结构包括：硅橡胶模基底1，弹性导电层2，第一摩擦层3，导线4。为了提高的摩擦纳米发电机的可拉伸性能，采用美国Smooth-On公司生产的Ecoflex00-30硅橡胶制备硅橡胶模基底1，弹性导电层2采用Ecoflex00-30@CB@CNTs混合物制备；采用热压印法将砂纸的微图案复制到硅胶薄膜表面制备第一摩擦层3，可以提高摩擦纳米发电机的接触面积，进而提高输出性能。
首先，将Ecoflex00-30 A和B的以1：1的质量比均匀混合在一起，使用丙烯酸片材作为基材，将涂膜器的厚度设定为0.4mm，将硅橡胶混合物放在烘胶台上，在80℃下固化30分钟，同时制备两片半固化硅橡胶膜，一片用作硅橡胶膜基底1，另一片用于制备第一摩擦层3。其次，将质量比为1:4的碳纳米管(CNT)和石墨颗粒加入到乙醇中并超声搅拌20分钟，然后将CNT和石墨颗粒混合物倒入混合后的硅橡胶中以制备导电弹性体混合物，其中CNT，石墨颗粒和硅橡胶的重量比为1：4：100，搅拌均匀并真空脱气后，以kapton胶带作为掩膜版，将制备的导电弹性体混合物倒入已经半固化的硅胶薄膜基底1上，在80℃下固化15分钟，制备半固化的弹性导电层2。然后，用Ag胶将铜线胶合在弹性导电层2，以此作为导线4。同时，采用热压印法将砂纸微图案复制到用于制备第一摩擦层3的半固化硅橡胶膜表面，并以此作为第一摩擦层3。其中热压印的压力、温度和时间分别为4MPa、280℃和3分钟。最后将制备的带有微图案的砂纸放置于半固化的弹性导电层2，并再固化1个小时。砂纸采用鹰牌5000目砂纸，图3为制备含有砂纸微图案的硅胶薄膜的光学照片，其磨粒的平均直径大约为8μm。
分别制备、安装两片摩擦纳米发电机在同一个鞋垫上，其中摩擦纳米发电机的形状与鞋垫的形状匹配，一片通过导线与电源电路相连，并经过整流处理，然后给单片机1及蓝牙主模块供电，实现自供能；另一片用于检测运动姿势并计数。将两片制备好的摩擦纳米发电机直接安装于鞋垫上，当人体运动时，织物会与摩擦纳米发电机接触分离，产生电信号，此时，织物为第二摩擦层。图4a、b分别是当走路和跑步时，摩擦纳米发电机输出的电压，从图中可以看出，走路时电压为12V左右，跑步时电压为32V左右。
图5为所述电源电路。由于单片机1以及蓝牙主模块需要5V的直流电供电，因此需要通过电源电路将摩擦纳米发电机产生的交流电转化为5V的直流电。电源电路包括变压器、整流桥、滤波电路以及7805稳压管。摩擦纳米发电机产生的交流电先通过变压器T1降压，再通过整流桥将交流电转化为直流电；由于变压之后的直流电压可能含有交流分量，所以要通过滤波电路对其进行滤波处理，最后再通过7805稳压管得到稳定的5V电压。
图6为所述信号检测电路，包括二极管、电阻以及运算放大器。首先，将摩擦纳米发电机产生的电信号通过二极管变成单向电流，然后输入到运算放大器的同相端，运算放大器的反向端通过分压电路设置为固定值20V，将同相端的电压与反向端的电压进行比较，当电压脉冲低于20V时，输出端为低电平，此时为走路状态；当电压脉冲高于20V时，运算放大器输出端为高电平，此时为跑步状态。
信号检测电路的输出端与单片机1的P1.0口相连，所述单片机1及单片机2均为89C51单片机。将单片机1检测到的0,1信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数，显示屏采用LED显示屏或者LCD显示屏。
其中摩擦纳米发电机、信号检测电路、单片机1、电源电路及蓝牙主模块直接集成并安装在鞋垫上，单片机2、蓝牙从模块以及显示屏集成于手表上，手表可直接佩戴在手上，并实时观测数据。单片机2及蓝牙从模块由电池供电。
图7为所述单片机1及单片机2的外围电路，包括电源电路、复位电路以及外部晶振，通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。

Claims (9)

1.一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述多功能运动计数传感器包括摩擦纳米发电机，信号检测电路，单片机1，单片机2，电源电路，蓝牙主模块，蓝牙从模块以及显示屏；摩擦纳米发电机从下至上主要由基底，弹性导电层以及第一摩擦层组成，导线从弹性导电层引出；安装两片摩擦纳米发电机在同一个鞋垫上，其中摩擦纳米发电机的形状与鞋垫的形状匹配，一片通过导线与单片机1的电源电路相连，并经过整流处理之后给单片机1及蓝牙主模块供电，实现自供能；另一片用于检测运动姿势并计数；当人体运动时，摩擦纳米发电机收集运动产生的能量并发出电信号，通过信号检测电路判断电压的大小，由此判断人体运动姿势，然后将检测到的0、1信号输入单片机1，单片机1将信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。
2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机的制备方法如下：首先，将Ecoflex00-30硅橡胶的组分A和B以1：1的质量比均匀混合在一起，使用丙烯酸片材作为基材，设定涂膜器的厚度，将硅橡胶混合物放在烘胶台上，第一次固化；同时制备两片半固化硅橡胶膜，一片用作硅橡胶膜基底，另一片用于制备第一摩擦层；其次，将碳纳米管(CNT)和石墨颗粒加入到乙醇中并超声搅拌，然后将CNT和石墨颗粒的混合物倒入将Ecoflex00-30硅橡胶的组分A和B以1：1的质量比均匀混合的硅橡胶中以制备导电弹性体混合物，搅拌均匀并真空脱气后，以kapton胶带作为掩膜版，将制备的导电弹性体混合物倒入已经半固化的硅橡胶薄基底上，第二次固化，制备半固化的弹性导电层；然后用Ag胶将铜线胶合在弹性导电层，以此作为导线；同时，采用热压印法将砂纸微图案复制到用于制备第一摩擦层的半固化硅橡胶膜表面，并以此作为第一摩擦层；最后将制备带有砂纸微图案的第一摩擦层放置于半固化的弹性导电层，第三次固化。
3.如权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，设定涂膜器的厚度为0.4mm；第一次固化是在80℃下固化30分钟；碳纳米管(CNT)和石墨颗粒加入到乙醇中超声搅拌的时间为20分钟；导电弹性体混合物中，CNT，石墨颗粒和硅橡胶的重量比为1：4：100；第二次固化是在80℃下固化15分钟；第三次固化是在80℃固化1个小时；所述砂纸采用鹰牌5000目砂纸。
4.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述单片机1及单片机2均设有外围电路，外围电路均由电源电路、晶振以及复位电路组成。
5.如权利要求4所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述电源电路包括变压器、整流桥、电容以及稳压管，单片机1的电源电路用以将摩擦纳米发电机产生的交流电转化为5V的直流电，给单片机1和蓝牙主模块供电；通过单片机2的复位电路将整个系统以及显示屏初始化。
6.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述显示屏采用LCD显示屏或者LED显示屏。
7.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，所述信号检测电路包括二极管、电阻以及运算放大器；首先，将摩擦纳米发电机产生的电信号通过二极管变成单向电流，然后输入到运算放大器的同相端，运算放大器的反向端通过分压电路设置为固定值20V，将同相端的电压与反向端的电压进行比较，当电压高于20V时，运算放大器输出端为高电平，此时为跑步状态；当电压低于20V时，输出端为低电平，此时为走路状态。
8.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，信号检测电路的输出端与单片机1的P1.0口相连，所述单片机1为89C51单片机；将单片机1检测到的0,1信号输送给蓝牙主模块，蓝牙主模块与蓝牙从模块实现无线通信，再通过蓝牙从模块将信号传输给单片机2，最后控制显示屏分别显示走路和跑步的步数。
9.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的多功能运动计数传感器，其特征在于，摩擦纳米发电机，信号检测电路，单片机1，电源电路及蓝牙主模块直接集成并安装在鞋垫上，单片机2，蓝牙从模块以及显示屏集成于手表上，手表可直接佩戴在手上，并实时观测数据；单片机2、蓝牙从模块由电池供电。
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