基於納米發電機的智能控制裝置及智能控制系統的製作方法

2023-06-02 10:08:31

基於納米發電機的智能控制裝置及智能控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於納米發電機的智能控制裝置，該裝置包括：至少一個納米發電機，當外界環境存在微擾時納米發電機發生機械形變，輸出交流脈衝電信號；信號採集電路，信號採集電路與至少一個納米發電機相連，用於對至少一個納米發電機輸出的交流脈衝電信號進行處理；以及中央處理電路，中央處理電路與信號採集電路相連，用於根據信號採集電路輸出的電信號進行判斷處理並輸出控制信號。本實用新型還公開了一種基於納米發電機的智能控制系統，該系統包括上述智能控制裝置及終端設備，終端設備與智能控制裝置中的中央處理電路相連。該智能控制裝置及系統能夠實現電路的智能化通斷，不需要人為幹預，同時能在惡劣換環境中可靠、穩定工作。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電器領域，具體涉及一種基於納米發電機的智能控制裝置及智能控制 系統。 基於納米發電機的智能控制裝置及智能控制系統

【背景技術】
[0002] 智能控制裝置是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，以實現電路智能化通 斷。現有的智能控制裝置種類繁多，且其使用環境也較為廣泛，主要應用於家居智能化改 造、辦公室智能化改造、工廠智能化改造、農林漁牧智能化改造等項目。
[0003] 但是，這些智能控制裝置都需要人為的幹預來完成電路智能化的通斷，且在工廠 煙囪的排煙口等惡劣環境中，很難保證其工作的可靠性和穩定性，因此現有技術中缺少一 種既不需要人為幹預來完成電路智能化通斷，又能在惡劣換環境中可靠、穩定工作的智能 控制裝置。


【發明內容】

[0004] 本實用新型提供一種基於納米發電機的智能控制裝置，用於解決現有技術中智能 控制裝置需要人為幹預，且在惡劣換環境中工作不可靠、不穩定的問題。
[0005] 根據本實用新型的一個方面，提供一種基於納米發電機的智能控制裝置，包括：至 少一個納米發電機，當外界環境存在微擾時所述納米發電機發生機械形變，輸出交流脈衝 電信號；信號採集電路，信號採集電路與至少一個納米發電機相連，用於對至少一個納米發 電機輸出的交流脈衝電信號進行處理；以及中央處理電路，中央處理電路與信號採集電路 相連，用於根據信號採集電路輸出的電信號進行判斷處理並輸出控制信號。
[0006] 本實用新型的基於納米發電機的智能控制裝置採用將納米發電機作為傳感器設 置在待測環境中，感知外界環境的擾動，經過信號處理電路及中央處理電路輸出控制信號。 該基於納米發電機的智能控制裝置可以解決現有技術中智能控制裝置的觸發信號需要人 為幹預採集的問題，同時可以在大部分惡劣的環境下穩定可靠的工作。
[0007] 本實用新型提供一種基於納米發電機的智能控制系統，包括：上述基於納米發電 機的智能控制裝置，以及終端設備，終端設備與智能控制裝置中的中央處理電路相連，根據 中央處理電路輸出的控制信號進行開啟和關閉。
[0008] 本實用新型的基於納米發電機的智能控制系統可以智能控制終端設備，節約了人 力，提高了工作效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為本實用新型實施例一的基於納米發電機的智能控制裝置的示意圖；
[0010] 圖2為本實用新型實施例一的基於納米發電機的智能控制裝置中的信號採集電 路的不意圖；
[0011] 圖3為本實用新型實施例二的基於納米發電機的智能控制裝置的示意圖；
[0012] 圖4為本實用新型實施例一的基於納米發電機的智能控制裝置的工作流程圖；
[0013] 圖5為本實用新型實施例中的摩擦發電機的正向剖面結構示意圖；
[0014] 圖6a為本實用新型實施例中的氧化鋅納米發電機的立體結構示意圖；
[0015] 圖6b為圖6a所示的本實用新型實施例中的氧化鋅納米發電機的正向剖面結構示 意圖；
[0016] 圖7為本實用新型一個實施例的基於納米發電機的智能控制系統的示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考 附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的 限制。
[0018] 為解決現有技術中的智能控制裝置需要人為幹預來完成電路智能化通斷，又不能 在惡劣換環境中可靠、穩定工作的問題，本實用新型提供了一種基於納米發電機的智能控 制裝置，圖1為本實用新型實施例一的基於納米發電機的智能控制裝置的示意圖。如圖1 所示，本實用新型第一方面實施例的基於納米發電機的智能控制裝置，包括：至少一個納米 發電機11、信號採集電路12、中央處理電路13。其中，至少一個納米發電機11設置在待測 外界環境中，當外界環境發生擾動（如震動、風吹動）使至少一個納米發電機11產生機械 形變，輸出交流脈衝電信號；信號米集電路12的輸入端與至少一個納米發電機11的輸出端 相連，用於對至少一個納米發電機11產生的交流脈衝電信號進行預處理；中央處理電路13 的第一輸入端與信號採集電路12的輸出端相連，根據信號採集電路12輸出的電信號進行 判斷處理，從而輸出控制信號。
[0019] 其中，至少一個納米發電機11可以是摩擦發電機和/或氧化鋅納米發電機，本領 域技術人員可以根據需要進行選擇，此處不做限定，其具體結構將在後面進行詳細描述。在 本實施例中，納米發電機11的數量可以為一個，也可以為多個。當為多個納米發電機時，納 米發電機之間通過串聯和/或並聯的方式連接，本領域技術人員可以根據需要進行選擇， 此處不做限定。
[0020] 其中，中央處理電路13包括具有判斷處理功能的單片機（MCU)。本實用新型對單 片機（MCU)的類型不做限制，可以選用各種MCU，例如MSP430晶片。需要說明的是，該中央 處理電路13實現的是對電信號與預設閾值進行比較的功能，及信號產生開始的計時功能。 經MCU處理後會對應輸出控制信號，此控制信號包括開啟信號與關閉信號。此種工作模式 將在下文對該實施例的工作流程介紹中具體描述。
[0021] 其中，中央處理電路13可以採用電壓比較器與計時器配合使用來取代各種MCU。 此種硬體組合的工作模式如下：電壓比較器接收到信號處理電路12輸出的電信號後與其 內的預設閾值進行比較，比較合格後計時器開始計時，達到計時時間後，直接將信號處理電 路12輸出的電信號作為控制信號輸出；當比較不合格和/或計時時間不足時，中央處理電 路13不輸出控制信號。電壓比較器及計時器等硬體的具體型號及電路布置不做限定，本領 域技術人員可以根據需要進行選擇。
[0022] 可選地，如圖2所示，信號採集電路12可以進一步包括：整流電路121、濾波電路 122、放大電路123和模數（A/D)轉換電路124。整流電路121的輸入端與至少一個納米發 電機11的輸出端相連，用於將至少一個納米發電機11輸出的交流脈衝電信號進行整流處 理，得到單向脈動的直流電信號；濾波電路122的輸入端與整流電路121的輸出端相連，用 於濾除整流電路122輸出的單向脈動的直流電信號中的幹擾雜波；放大電路123的輸入端 與濾波電路122的輸出端相連，用於將濾波電路122輸出的直流電信號進行放大處理;A/D 轉換電路124的輸入端與放大電路123的輸出端相連，用於對放大電路123輸出的放大後 的單向脈動的直流電信號進行模數轉換，將模擬電信號轉換為數字電信號以輸出給中央處 理電路13的第一輸入端。另外，A/D轉換電路124可以採用單獨的A/D轉換晶片實現，也 可以採用中央處理電路13自身攜帶的A/D轉換電路，本領域技術人員可以根據需要進行選 擇，此處不做限定。
[0023] 可選地，如圖3所示，為本實用新型實施例二的基於納米發電機的智能控制裝置 的示意圖，本實施例與實施例一的區別僅在於：進一步設置有儲能電路16。其中，儲能電路 16的輸入端與至少一個納米發電機11的輸出端相連，用於接收並存儲其產生的電能；儲能 電路16的輸出端與用電器件相連並為其供電。此處用電器件可以為信號處理電路12和 中央處理電路13,同時還可以為其他用電器件，如照明器件和發生器件等，此處不做具體限 定。該儲能電路16包括轉換電路及儲能器，兩者皆為現有技術中的產品，本領域技術人員 可以根據需要進行選擇，此處不做限定。
[0024] 另外，為了避免外界環境因素如溫度、溼度、灰塵、酸鹼度等對至少一個納米發電 機11的工作造成影響，在本實用新型的實施例中，還可以在至少一個納米發電機11的外部 設置密封保護套，從而保證其可靠，穩定的工作。其中，密封保護套的材質優選輕薄，柔軟、 抗腐蝕的材質，本領域技術人員可以根據需要進行選擇，此處不做限定。
[0025] 圖4為本實用新型實施例一的基於納米發電機的智能控制裝置的工作流程圖，包 括：
[0026] 步驟S601，首先中央處理電路對內部信息進行初始化。
[0027] 步驟S602,中央處理電路接收到信號採集電路輸出的電信號後，將該電信號V與 中央處理電路內部的預設閾值％進行比較。
[0028] 若V彡V。，跳轉步驟S603。
[0029] 若V彡V。，跳轉步驟S605。
[0030] 步驟S603,計時器開始計時，並將該計時時間存儲在中央處理電路中。具體地，該 計時器可以採用中央處理電路本身自帶的定時器進行計時，也可以採用單獨的定時電路進 行計時，此處不做限定。應當注意的是：所述計時時間是由本領域技術人員根據需要進行設 定的，可以設定為30s、lmin等數值，此處不做限定。
[0031] 步驟S604,在計時時間內，中央處理電路判斷V是否持續彡Vp
[0032] 若V彡V0,跳轉步驟S606。
[0033] 若V彡V。，跳轉步驟S605。
[0034] 步驟S605,中央處理電路輸出關閉信號。
[0035] 步驟S606,中央處理電路輸出開啟信號。
[0036] 基於納米發電機的智能控制裝置的具體工作過程如下所述：當外界環境發生擾動 (如震動或風吹），使至少一個納米發電機產生機械形變，從而產生電信號；該電信號會輸 出給信號採集電路進行整流、濾波、放大和A/D轉換，從而輸出適合中央處理電路處理的電 信號；如圖4所示，當該電信號被中央處理電路接收到時，中央處理電路會將該電信號V與 預先設置的閾值\進行比較。當該電信號V大於或等於預設的閾值％，中央處理電路開始 計時，如果在計時時間內該電信號V-直大於或等於預設的閾值％，則認為外界擾動為觸發 信號，輸出開啟信號；當該電信號V大於或等於預設的閾值％，中央處理電路開始計時，如 果在計時時間內該電信號V小於預設的閾值％，則認為小於預設的閾值％之前的電信號為 幹擾電信號，輸出關閉信號，並將中央處理電路中的定時器清零，等待下次計時；當該電信 號V小於預設的閾值％，則認為外界不存在擾動，輸出關閉信號。
[0037] 圖5為本實用新型實施例中的摩擦發電機的正向剖面結構示意圖。如圖5所示， 三層結構的摩擦發電機包括：依次層疊設置的第一電極層71，第一高分子聚合物絕緣層72 和第二電極層73。其中，第一電極層71和第二電極層73構成摩擦發電機的信號輸出端。 優選地，為了進一步提高摩擦發電機的發電效率，第一高分子聚合物絕緣層72和第二電極 層73相對設置的兩面中的至少一個面上設置有微納結構74。
[0038] 另外，本實用新型還可採用具有四層、五層結構的摩擦發電機，四層結構的摩擦發 電機是在三層的基礎上增加了一層高分子聚合物絕緣層，五層結構的摩擦發電機是在四層 的基礎上在兩層高分子聚合物絕緣層之間增加了一層居間薄膜層或居間電極層。參考圖5 所示的三層結構的摩擦發電機，本領域技術人可以較容易的理解四層、五層結構的摩擦發 電機的結構，此處不再贅述。
[0039] 下面介紹本實用新型的四層結構或五層結構的氧化鋅納米發電機。
[0040] 本實用新型的四層結構的氧化鋅納米發電機如圖6a和圖6b所示。該氧化鋅納米 發電機包括：依次層疊設置的第一電極層81，第一高分子聚合物絕緣層82,氧化鋅納米陣 列84以及第二電極層83。其中，第一電極層81設置在第一高分子聚合物絕緣層82的第一 側表面上；其中，氧化鋅納米陣列84垂直生長在第二電極層83上且氧化鋅納米陣列84的 另一端設置有第一高分子聚合物絕緣層82的第二側表面（或氧化鋅納米陣列84垂直生長 在第一高分子聚合物絕緣層82的第二側表面上且氧化鋅納米陣列84的另一端設置有第二 電極層83);其中，第一電極層81和第二電極層83構成氧化鋅納米發電機的兩個輸出端。
[0041] 本實用新型的五層結構的氧化鋅納米發電機與圖6a和圖6b所示的四層結構的氧 化鋅納米發電機相比，在氧化鋅納米陣列84和第二電極層83增設有第二高分子聚合物絕 緣層，本領域技術人可以較容易的理解其結構，此處不再贅述。
[0042] 由上可知，本實用新型的基於納米發電機的智能控制裝置，採用納米發電機作為 傳感器來持續感知外界環境中的微擾（振動和/或風吹動的機械能），並將此微擾產生的機 械能轉換為電信號，該電信號會經過信號採集電路輸出給中央處理電路進行判斷處理，從 而輸出控制信號。該基於納米發電機的智能控制裝置，由於採用納米發電機作為觸發器，不 僅靈敏度高，而且誤報率低，且無需人為幹預即可完成電路的通斷，給用戶的使用的帶來極 大的便利。
[0043] 本實用新型還提供了一種基於納米發電機的智能控制系統，如圖7所示，該系統 包括上述基於納米發電機的智能控制裝置1和終端設備2,終端設備2與智能控制裝置1中 的中央處理電路13相連，根據中央處理電路13輸出的控制信號進行開啟和關閉。該基於 納米發電機的智能控制系統可以智能控制終端設備，節約了人力，提高了工作效率。
[0044] 其中，該終端設備2可以為氣體檢測設備，此時該系統可用於工業煙囪氣體檢測， 當煙囪排煙時，納米發電機被煙氣觸發產生電信號，進而通過信號處理電路和中央處理電 路處理輸出控制信號給氣體檢測設備，氣體檢測設備開啟檢測煙氣各組分含量。
[0045] 其中，該終端設備2可以為車載空氣淨化設備，此時該系統可用於汽車空氣淨化， 通過將納米發電機設置在汽車空調設備風道內感知空調的開啟進而控制車載空氣淨化設 備的開啟，達到自動淨化車內空氣的目的。
[0046] 在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語"中心"、"縱向"、"橫向"、"長度"、"寬 度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"後"、"左"、"右"、"堅直"、"水平"、"頂"、"底""內"、"外"、"順 時針"、"逆時針"、"軸向"、"徑向"、"周向"等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位 或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或 元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限 制。
[0047] 此外，術語"第一"、"第二"僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性 或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有"第一"、"第二"的特徵可以明示或 者隱含地包括至少一個該特徵。在本實用新型的描述中，"多個"的含義是至少兩個，例如兩 個，三個等，除非另有明確具體的限定。
[0048] 在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，術語"安裝"、"相連"、"連接"、"固 定"等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是 機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個 元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技 術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0049] 在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵"上"或"下" 可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特 徵在第二特徵"之上"、"上方"和"上面"可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅 表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵"之下"、"下方"和"下面"可 以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
[0050] 流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括 一個或更多個用於實現特定邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的電路、片段或部 分，並且本實用新型的優選實施方式的範圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論 的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被本 實用新型的實施例所屬【技術領域】的技術人員所理解。
[0051] 在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特 點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表 述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以 在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域 的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進 行結合和組合。
[0052] 儘管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是 示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的範圍 內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1. 一種基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，包括： 至少一個納米發電機，當外界環境存在微擾時所述納米發電機發生機械形變，輸出交 流脈衝電信號； 信號採集電路，所述信號採集電路與所述至少一個納米發電機相連，用於對所述至少 一個納米發電機輸出的交流脈衝電信號進行處理；以及 中央處理電路，所述中央處理電路與所述信號採集電路相連，用於根據所述信號採集 電路輸出的電信號進行判斷處理並輸出控制信號。
2. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述至少一 個納米發電機為摩擦發電機和/或氧化鋅納米發電機；其中， 所述摩擦發電機為三層、四層或者五層結構，所述摩擦發電機至少包含構成摩擦界面 的兩個表面，所述摩擦發電機具有至少兩個輸出端； 所述氧化鋅納米發電機為四層或者五層結構，所述氧化鋅納米發電機具有兩個輸出 端。
3. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述納米發 電機的數目為多個，多個所述納米發電機通過串聯和/或並聯方式連接。
4. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述至少一 個納米發電機的外部設置有密封保護套。
5. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述信號採 集電路包括： 與所述至少一個納米發電機相連的，將所述至少一個納米發電機輸出的交流脈衝電信 號進行整流處理的整流電路； 與所述整流電路相連的，濾除所述整流電路輸出的電信號中的幹擾雜波的濾波電路； 與所述濾波電路相連的，將所述濾波電路輸出的電信號進行放大處理的放大電路；以 及 與所述放大電路相連的，對所述放大電路輸出的電信號進行模數轉換的模數轉換電 路。
6. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述中央處 理電路包括電壓比較器，其中： 所述電壓比較器輸出的所述控制信號為經過其比較後的所述信號採集電路輸出的電 信號。
7. 根據權利要求6所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述中央處 理電路進一步包括計時器。
8. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，所述中央處 理電路為單片機，其中： 所述單片機輸出的所述控制信號包括開啟信號和關閉信號。
9. 根據權利要求1所述的基於納米發電機的智能控制裝置，其特徵在於，進一步包括 儲能電路，所述儲能電路與所述至少一個納米發電機連接，用於存儲所述至少一個納米發 電機產生的電能並為用電器件供電。
10. -種智能控制系統，其特徵在於，包括： 權利要求1-9任一項所述的基於納米發電機的智能控制裝置，以及 終端設備，所述終端設備與所述智能控制裝置中的中央處理電路相連，根據所述中央 處理電路輸出的控制信號進行開啟和關閉。
【文檔編號】H02N1/04GK203896221SQ201420254144
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2014年5月16日
【發明者】徐傳毅 申請人:納米新能源（唐山）有限責任公司