一種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊，它由上、下鞋墊體、鞋墊夾層、電熱片、壓電疊堆、藍(lán)牙模塊、功能選擇開關(guān)、處理及控制模塊、蓄電池、mini-USB接口等部分組成，可通過(guò)藍(lán)牙與智能手機(jī)上的應(yīng)用軟件通信；本發(fā)明使用了壓電疊堆，可不用外接傳感器就可測(cè)量腳部的壓力和計(jì)算行走時(shí)的步數(shù)，以監(jiān)測(cè)用戶的活動(dòng)水平、行走健康等問(wèn)題，還可產(chǎn)生電能，具有自發(fā)電功能；還具有手機(jī)充電功能，可為手機(jī)提供少量電能，以應(yīng)對(duì)緊急情況，特別適用于在野外沒有電源的地方使用；具有節(jié)能、使用方便、安裝簡(jiǎn)便和低成本等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】-種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能穿戴【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的提高，人們開始對(duì)我們的日常穿戴提出了 更高的要求，因此智能穿戴發(fā)展迅速，智能鞋墊就是其中的一種。楊慎達(dá)等人的專利"一 種醫(yī)用智能測(cè)試調(diào)節(jié)負(fù)重量的鞋墊（No :201010216224. 8) "公開了一種醫(yī)用智能測(cè)試調(diào)節(jié) 負(fù)重量的鞋墊，它由放在鞋墊內(nèi)部的壓力采集傳感器和外接的信號(hào)處理器組成，該發(fā)明可 實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)重量，根據(jù)測(cè)量值調(diào)節(jié)負(fù)重量大小，便于患者術(shù)后康復(fù)鍛煉；鄭斌等人的專利 "一種測(cè)定行走步態(tài)的智能鞋墊及方法（No :201310105338. 9) "與楊慎達(dá)等人的專利相似， 它通過(guò)壓力傳感器可隨時(shí)測(cè)定使用者的行走步態(tài)，使人們能夠及時(shí)了解自身的足部情況； 姬自生的專利"電熱鞋墊（No :200620092588. 9)"、劉祖學(xué)的專利"多功能電熱鞋墊（No : 201220040833. 7) "、呂維克的專利"電熱鞋墊（No :200620157092. 5) "和周挺的專利"低壓 電熱鞋墊（No :201320076984. 2)"分別從不同的角度提出了一種可產(chǎn)生熱量的電熱鞋墊； 3L Lab在2014國(guó)際消費(fèi)電子展（CES)上推出的鞋墊具備了三軸加速計(jì)和八個(gè)壓力傳感器， 能夠監(jiān)測(cè)用戶的活動(dòng)水平、行走健康等問(wèn)題，還支持無(wú)線充電，其售價(jià)約200美元。以上智 能鞋墊和現(xiàn)有的智能鞋墊均需要自帶大容量蓄電池或外接電源才能實(shí)現(xiàn)其功能，并且要在 鞋墊內(nèi)部集成各種傳感器，這必然導(dǎo)致鞋墊的安全性受到質(zhì)疑，成本會(huì)也比較高。
[0003] 研究表明壓電陶瓷受到擠壓時(shí)可產(chǎn)生電，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行周期性的擠壓時(shí)，可產(chǎn)生同 頻率的周期性的電信號(hào)，并且擠壓時(shí)力越大，產(chǎn)生的電信號(hào)的幅值越大，對(duì)應(yīng)的電能也越 多。翟振明等人的專利"一種鞋墊式步行輸入傳感裝置"所用的壓電傳感器正是利用了壓 電陶瓷片的壓電效應(yīng)，將應(yīng)力（或應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成電壓或電荷，再通過(guò)放大進(jìn)行放大和輸出的 裝置。翟振明等人利用了壓電陶瓷輸出電壓或電荷與其所受應(yīng)力存在相關(guān)性的特點(diǎn)，但并 未提及和利用壓電陶瓷輸出電壓的周期與人行走時(shí)步調(diào)相關(guān)的特點(diǎn)，即可以通過(guò)測(cè)量壓電 陶瓷輸出電壓的周期數(shù)間接得到人行走的步數(shù)，本發(fā)明正是基于這一原理對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行 了改進(jìn)和發(fā)明，通過(guò)相應(yīng)的處理電路測(cè)得壓電陶瓷所產(chǎn)生電信號(hào)的周期數(shù)和幅值，產(chǎn)生的 電能還可以收集起來(lái)給處理電路供電。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對(duì)現(xiàn)有智能鞋墊存在的問(wèn)題和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，本發(fā)明公開了一種壓力自 感知、自發(fā)電的智能鞋墊。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊，包括：上、下鞋墊體、鞋墊夾層、電熱片、壓電 疊堆、藍(lán)牙模塊、功能選擇開關(guān)、處理及控制模塊、蓄電池、mini-USB接口、智能手機(jī)應(yīng)用軟 件。
[0007] 所述上、下鞋墊體為智能鞋墊的上表面和下表面，用于保護(hù)鞋墊內(nèi)的電路和元器 件；其中上表面與人的腳接觸，下表面與鞋底接觸；兩鞋墊體邊沿均分別為兩條可配對(duì)的 拉鏈鏈帶，可通過(guò)拉鏈將上下鞋墊體連接在一起，并形成一個(gè)封閉空間，用于放置智能鞋墊 的其它部分。
[0008] 所述鞋墊夾層為介于上鞋墊體和下鞋墊體之間的一個(gè)夾層，略小于上、下鞋墊體， 放置于上下鞋墊體形成的封閉空間內(nèi)；其相應(yīng)位置已經(jīng)掏空，用于固定智能鞋墊內(nèi)部的電 路和元器件。
[0009] 所述電熱片為鞋形低壓電熱片，略小于鞋墊夾層，置于上鞋墊體和鞋墊夾層之間， 與處理及控制模塊相連，用于對(duì)鞋子內(nèi)部加熱和保暖。
[0010] 所述壓電疊堆為本智能鞋墊的核心部件，由若干個(gè)壓電陶瓷片并聯(lián)組成，固定在 鞋墊夾層腳掌或腳后跟位置，用于檢測(cè)腳部壓力、計(jì)算步數(shù)和給本智能鞋墊提供電能；其輸 出分為兩路，一路用于給蓄電池充電，另一路經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳，用 于計(jì)算腳步壓力和行走步數(shù)。
[0011] 所述藍(lán)牙模塊為集成的小型藍(lán)牙從機(jī)模塊，通過(guò)串行通信接口與控制器相連，與 運(yùn)行在智能手機(jī)上的藍(lán)牙應(yīng)用軟件配套使用，可實(shí)現(xiàn)智能鞋墊與智能手機(jī)之間的通信。
[0012] 所述功能選擇開關(guān)為一個(gè)六觸點(diǎn)單通的旋鈕開關(guān)，用于控制智能鞋墊的各項(xiàng)功 能，如接通電源、開啟或關(guān)斷加熱功能、開啟或關(guān)斷藍(lán)牙功能等。
[0013] 所述處理及控制模塊包括：整形及電壓轉(zhuǎn)換電路、蓄電池充放電模塊、穩(wěn)壓模塊和 微控制器及其外圍電路。所述整形及電壓轉(zhuǎn)換作用是將壓電疊堆輸出的交流電轉(zhuǎn)換為正 5V的直流電，其直流電輸出端與蓄電池充放電模塊的電源輸入端相連，可將電能輸入到蓄 電池充放電模塊；所述蓄電池充放電模塊作用是收集壓電疊堆輸出的電能用于對(duì)蓄電池充 電，同時(shí)也可將蓄電池內(nèi)部存儲(chǔ)的電能釋放出來(lái)，對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用，如充電時(shí)可根據(jù) 電池的特性選恒流或恒壓方式充電，放電時(shí)可輸出穩(wěn)定的電壓，有過(guò)充或過(guò)放保護(hù)等；穩(wěn)壓 模塊作用是將蓄電池充放電模塊的輸出電壓穩(wěn)定在微控制器的供電電壓范圍內(nèi)；所述微控 制器及其外圍電路為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和與其它模塊的接口電路。
[0014] 所述蓄電池為小容量聚合物鋰電池，其作用是收集壓電疊堆產(chǎn)生的電能并且給其 它用電部分供電；由于本發(fā)明所用的壓電疊堆可以在人們行走時(shí)產(chǎn)生電能，可隨時(shí)給蓄電 池充電，所以本發(fā)明可以使用容量更小的蓄電池，這樣不僅能減少成本，還能減小鞋墊的體 積和質(zhì)量，同時(shí)也能提高系統(tǒng)安全性（大容量電池在發(fā)生泄露或爆炸時(shí)危害更大）。
[0015] 所述mini-USB接口分為輸入接口和輸出接口，分別與蓄電池充放電模塊的電 能輸入端和電能輸出端相連；mini-USB輸入接口可連接充電器，從外部對(duì)蓄電池充電， mini-USB輸出接口可在緊急情況下對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。
[0016] 所述智能手機(jī)應(yīng)用軟件為安裝在智能手機(jī)上的應(yīng)用程序，智能手機(jī)必須具有藍(lán)牙 功能才能使用本軟件；在手機(jī)和本智能鞋墊均開啟藍(lán)牙功能后運(yùn)行本應(yīng)用軟件，完成藍(lán)牙 配對(duì)后，可通過(guò)該軟件對(duì)智能鞋墊進(jìn)行監(jiān)控。
[0017] 上述智能鞋墊的實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：
[0018] 1、鞋墊夾層上相應(yīng)的位置已掏空，將壓電疊堆、藍(lán)牙模塊、功能選擇開關(guān)、處理及 控制模塊、蓄電池、mini-USB接口等固定在相應(yīng)的位置上，并按照前文所述方法進(jìn)行連接；
[0019] 2、將電熱片連接到鞋墊夾層上的處理及控制模塊上，并平鋪于鞋墊夾層之上，將 電熱片連同鞋墊夾層及其之上的電路和元器件放入上下鞋墊之間，拉上上下鞋墊上的拉 鏈，使之形成一個(gè)完整的智能鞋墊；
[0020] 3、將智能鞋墊置于合適的鞋子內(nèi)，當(dāng)用戶行走時(shí)，就會(huì)踩壓鞋墊，鞋墊內(nèi)部的壓電 疊堆就會(huì)產(chǎn)生與人行走步調(diào)一致的周期性電信號(hào)，并且踩壓鞋墊的力越大時(shí)，電信號(hào)的幅 值就會(huì)越大，產(chǎn)生的電能也就越多；智能鞋墊內(nèi)部的處理電路可對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到 相應(yīng)的周期數(shù)和幅值，并且通過(guò)相應(yīng)電路對(duì)該電能進(jìn)行收集；微處理器可根據(jù)所測(cè)得的電 信號(hào)計(jì)算出人們行走的步數(shù)和腳部的壓力；
[0021] 4、可通過(guò)功能選擇開關(guān)設(shè)定智能鞋墊的功能，可選功能有接通電源、自動(dòng)、開/關(guān) 加熱、開/關(guān)藍(lán)牙、開（或關(guān)）加熱及藍(lán)牙；當(dāng)自動(dòng)或加熱開啟時(shí)，微處理器會(huì)根據(jù)設(shè)定的溫 度開始或關(guān)斷加熱片的加熱功能，實(shí)現(xiàn)智能溫控；當(dāng)自動(dòng)或藍(lán)牙開啟時(shí)，可通過(guò)運(yùn)行在智能 手機(jī)上的應(yīng)用軟件連接本智能鞋墊，對(duì)智能鞋墊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
[0022] 5、通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用軟件可實(shí)時(shí)顯示人們行走的步數(shù)，當(dāng)設(shè)定好每步所走的行程 后，可計(jì)算出人們走過(guò)的路程；可實(shí)時(shí)顯示電池剩余電量、人們行走時(shí)腳部的壓力和溫度； 可開啟或關(guān)斷加熱功能，并設(shè)置加熱的目標(biāo)溫度（目標(biāo)溫度不可低于鞋子內(nèi)部不加熱時(shí)的 溫度），微處理器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控鞋內(nèi)溫度，并控制加熱，使鞋內(nèi)溫度維持在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0024] 1、本發(fā)明可不用外接傳感器就可測(cè)量腳部的壓力和計(jì)算行走的步數(shù)，以監(jiān)測(cè)用戶 的活動(dòng)水平、行走健康等問(wèn)題，降低了智能鞋墊的成本；
[0025] 2、本發(fā)明所用壓電疊堆可產(chǎn)生電能，具有自發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)相同功能和使用同樣 長(zhǎng)時(shí)間的情況下，可采用更小的蓄電池，這樣有利于減小智能鞋墊體積和質(zhì)量，同時(shí)可解決 大容量蓄電池帶來(lái)的安全和成本問(wèn)題；
[0026] 3、本發(fā)明采用可拆卸的方式拼接鞋墊各結(jié)構(gòu)，取出電熱片連同鞋墊夾層及其之上 的電路和元器件后，上、下鞋墊體可水洗，使之應(yīng)用更加人性化。
[0027] 4、智能鞋墊放入鞋內(nèi)后，用戶正常行走時(shí)就可發(fā)電，還具有手機(jī)充電功能，可為手 機(jī)提供少量電能，以應(yīng)對(duì)緊急情況，特別適用于在野外沒有電源的地方使用。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明智能鞋墊的結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明智能鞋墊的功能框圖；
[0030] 圖3為各壓電陶瓷片并聯(lián)的壓電疊堆示意圖；
[0031] 圖4為人行走時(shí)鞋底壓電疊堆輸出電壓曲線；
[0032] 圖5為放大及整形電路電路圖；
[0033] 圖6為降壓/升壓轉(zhuǎn)換電路電路圖；
[0034] 圖7為蓄電池充放電模塊電路圖；
[0035] 圖8為微控制器及其外圍電路電路圖。
[0036] 圖1中：1-上鞋墊體，2-電熱片，3-鞋墊夾層，4-壓電疊堆，5-藍(lán)牙模塊，6-功能 選擇開關(guān)，7-處理及控制模塊，8-小容量蓄電池，9-mini USB接口，10-下鞋墊體，11-智能 手機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅 限于此。
[0038] -、本發(fā)明一種壓力自感知、自發(fā)電智能鞋墊的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1所示，功能框圖 如圖2所示，具體實(shí)施步驟如下：
[0039] (1)圖1為本發(fā)明一種壓力自感知、自發(fā)電智能鞋墊的結(jié)構(gòu)爆炸圖；圖中1和10 分別是上、下鞋墊體，其邊沿均分別為兩條可配對(duì)的拉鏈的鏈帶（圖中未畫出），可通過(guò)拉 鏈將上下鞋墊體連接在一起形成一個(gè)封閉空間，將智能鞋墊其它部分包圍在其內(nèi)部；圖中 2為鞋墊形電熱片，用于需要時(shí)給鞋內(nèi)部加熱和保溫，其加熱控制信號(hào)由微處理器給出；圖 中3為鞋墊夾層，用于固定智能鞋墊內(nèi)部的電氣元件和電路板，其掏空部分即為電氣元件 和電路板所在位置；圖中4為壓電疊堆，用于檢測(cè)腳部壓力、計(jì)算步數(shù)和給本智能鞋墊提供 電能；圖中5為藍(lán)牙模塊，用于實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)和本智能鞋墊的藍(lán)牙無(wú)線通信；圖中6為功能 選擇開關(guān)，是一個(gè)六觸點(diǎn)單通的旋鈕開關(guān)，用于控制電源通斷和部分功能選擇；圖中7為處 理及控制模塊，所有元器件均集成在一塊可彎曲的電路板上，實(shí)現(xiàn)智能鞋墊的相關(guān)處理和 控制功能；圖中8為小容量蓄電池，本實(shí)施例中選用的是容量為200mA的聚合物鋰電池；圖 中9為miniUSB接口，分為輸入接口和輸出接口，輸入接口可用于對(duì)蓄電池充電，輸出接口 可為其它設(shè)備充電；圖中11為智能手機(jī)，其具有藍(lán)牙功能，可運(yùn)行本發(fā)明配套的應(yīng)用軟件。
[0040] (2)圖2為本發(fā)明一種壓力自感知、自發(fā)電智能鞋墊電氣部分的功能框圖，圖中智 能手機(jī)具有藍(lán)牙功能，可運(yùn)行本與發(fā)明配套的應(yīng)用軟件，與智能鞋墊通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換；圖中壓電疊堆的輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到整形及電壓轉(zhuǎn)換電路中，另一 路連接到了微處理器的外圍電路中，再進(jìn)入微處理器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；圖中整形及電壓轉(zhuǎn) 換電路的輸入為壓電疊堆的其中一路輸出信號(hào)，輸出端連接到了蓄電池充放電模塊的電源 輸入端，蓄電池充放電模塊的電源輸入端與mini-USB電源輸入接口也相連，其模塊內(nèi)部連 接到了小容量鋰電池，以控制其充放電，蓄電池充放電模塊的電源輸出端與穩(wěn)壓模塊相連 接，穩(wěn)壓模塊將其輸出的5V直流電轉(zhuǎn)換為微處理器需要的3. 3V直流電；功能選擇開關(guān)的 多個(gè)輸出端連接到了微處理器的輸入接口；微處理器的一個(gè)輸出口連接到了電熱片的控制 端；圖中藍(lán)牙模塊與微處理器通過(guò)串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0041] 二、圖2中相應(yīng)模塊所對(duì)應(yīng)的【具體實(shí)施方式】如下：
[0042] (1)如圖3所示為壓電疊堆結(jié)構(gòu)示意圖，圖中各壓電陶瓷片相互并聯(lián)，a、b為其電 信號(hào)輸出端，多個(gè)壓電陶瓷片并聯(lián)可增加其輸出功率。
[0043] (2)如圖5所示為放大及整形電路，對(duì)應(yīng)于圖2中整形及電壓轉(zhuǎn)換電路的整形部 分，其作用是將壓電疊堆的輸出電壓放大兩倍并整形為直流電，為防止壓電疊堆的輸出電 壓過(guò)小，不足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，因此本電路額外增加了電壓放大環(huán)節(jié)；圖中Y1即為圖2中的 壓電疊堆；圖中信號(hào)AD_in連接到了微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳的外圍處理電路的輸入端，用 于測(cè)試壓電疊堆的輸出電壓，以判斷其峰值大小和個(gè)數(shù)，從而推算出腳部的壓力和行走的 步數(shù)；圖中瓷片電容CL2、CL3、C3和二級(jí)管Dl、D2、D3實(shí)現(xiàn)放大及整流功能，穩(wěn)壓二級(jí)管用 于限制輸出電壓幅值，保護(hù)后續(xù)電路，電解電容C4和瓷片電容C5用于進(jìn)一步對(duì)直流信號(hào)濾 波；輸出端P〇wer_out連接到了圖2中整形及電壓轉(zhuǎn)換電路的電壓轉(zhuǎn)換電路部分的電源輸 入端。
[0044] (3)如圖6所示為降壓/升壓轉(zhuǎn)換電路，對(duì)應(yīng)于圖2中整形及電壓轉(zhuǎn)換電路的電 壓轉(zhuǎn)換電路部分，其作用是將經(jīng)放大及整形電路整形后的輸出電壓轉(zhuǎn)換為+5V直流電壓； 本電路的核心是TI公司生產(chǎn)的TPS63061降壓/升壓芯片，它可將2. 5V?12V的直流電 壓轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓，以適應(yīng)不同腳部壓力下壓電疊堆輸出電壓波動(dòng)大的影響；圖6中 Power_out輸入端連接到了圖5放大及整形電路的Power_out輸出端；圖中C6?C12均為 瓷片電容，R1?R3均為1%精度的碳膜電阻，L1為電感，它們的大小在圖中已詳細(xì)標(biāo)出； +5V輸出電壓連接到了圖2中蓄電池充放電模塊的電源輸入端。
[0045] (4)如圖7所示為蓄電池充放電模塊電路圖，對(duì)應(yīng)于圖2中的蓄電池充放電模塊， 其作用是控制鋰電池的充放電，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)和指示電量，其核心為"深圳市華芯邦 科技有限公司"生產(chǎn)的鋰電池充電管理芯片HT4901 ;如圖7所示，HT4901是一個(gè)16引腳 的芯片，L1?L4為電量指示引腳，KEY為控制端，它們均連接到了微處理器對(duì)應(yīng)的輸入端 口，用于記錄電池電量和程序控制模塊的運(yùn)行；圖中P1、P2分別為mini-USB電源輸入和輸 出接口，P1可經(jīng)接充電器對(duì)電池進(jìn)行充電，P2可以連接手機(jī)，對(duì)手機(jī)進(jìn)行充；BT1為容量是 200mAH的聚合物鋰電池，三級(jí)管Q2用于控制其通斷，Q2的控制端Battery接到了功能選擇 開關(guān)的一個(gè)引腳；輸入的+5V信號(hào)為降壓/升壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)，VCC為模塊的電源輸 出；其它電路為HT4901的典型應(yīng)用電路，可以參見其技術(shù)手冊(cè)。
[0046] (5)圖8為微控制器及其外圍電路，圖中實(shí)際包括了圖2中微處理器及其外圍電路 和穩(wěn)壓模塊；圖中U4芯片，型號(hào)為L(zhǎng)M1117s-3. 3V，它與電容C25?C27共同構(gòu)成穩(wěn)壓模塊， 其作用是將蓄電池充放電模塊的電源輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器及其外圍電路的+3. 3V供 電電壓；U3為本發(fā)明的微控制器，它是"新華龍電子有限公司"生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)，型 號(hào)為C8051F350 ;圖中AD_in連接到了圖5中壓電疊堆的輸出信號(hào)AD_in，該信號(hào)經(jīng)過(guò)R15、 R16、C23和C24組成的阻容網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入單片機(jī)的ΑΙΝΟ. 0和ΑΙΝΟ. 1引腳，用于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換J2為單片機(jī)的程序下載和調(diào)試接口；L1?L4以及KEY與圖7中同名引腳相連；SW-6WAY 為功能選擇開關(guān)，各端子均連接了 10ΚΩ的上拉電阻，其中2?6號(hào)端子接到了單片機(jī)的5 個(gè)輸入端，用于功能選擇，1號(hào)端子與圖7中Battery端口相連，用于開關(guān)電源，當(dāng)旋鈕開關(guān) 與1接通時(shí)，電源關(guān)斷，與其它端口接通時(shí)電源開并選擇了相應(yīng)功能；Q1為三極管，型號(hào)為 SS8050,用于控制電熱片的通斷，DG_GND端口連接到電熱片（圖中未畫出電熱片）一端，電 熱片另一端連接電源VCC，Q1的控制端連接到單片機(jī)的輸出引腳P0. 7 ;圖中RX、TX與藍(lán)牙 模塊的相應(yīng)通信端口相連，用于實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的無(wú)線通信。
[0047] 三、計(jì)步、發(fā)電和壓力自感知原理：
[0048] 圖4為人們行走時(shí)鞋底壓電片輸出電壓曲線，它是將壓電陶瓷片置于鞋底，在其 輸出端并聯(lián)一個(gè)50K的電阻，用戶行走時(shí)，用示波器測(cè)試該電阻兩端得到電壓曲線并截圖 所得；從圖中可以看出，當(dāng)人們行走時(shí)壓電陶瓷片的輸出是一個(gè)周期信號(hào)，其每一個(gè)周期均 代表走路時(shí)腳著地和抬起的一個(gè)過(guò)程，通過(guò)微處理器檢測(cè)其峰值點(diǎn)的個(gè)數(shù)就可以得到人們 所行走的步數(shù)；實(shí)驗(yàn)表明腳著地時(shí)對(duì)鞋的踩壓力越大，壓電陶瓷輸出電壓的峰值越大，因此 可通過(guò)測(cè)量其峰值間接計(jì)算出腳部壓力值；由壓電效應(yīng)知壓電陶瓷受到擠壓時(shí)能產(chǎn)生電 能，可對(duì)其輸出的電能進(jìn)行收集利用，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。
[0049] 四、上述智能鞋墊的實(shí)現(xiàn)方法，還包括如下步驟：
[0050] 1、在用戶鞋內(nèi)放入大小合適的智能鞋墊，將功能選擇開關(guān)的旋鈕撥到2號(hào)端子， 此時(shí)智能鞋墊進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)，藍(lán)牙功能自動(dòng)開啟，微控制器C8051F350采用其內(nèi)部溫度傳 感器對(duì)鞋內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)P〇. 0?P〇. 3引腳的電平進(jìn)行監(jiān)控以得到電池電量，采用差分 的方法測(cè)量ΑΙΝ0.0引腳和ΑΙΝΟ. 1引腳的電壓差以監(jiān)控壓電疊堆的電壓變化，從而計(jì)算出 其輸出電壓的峰值點(diǎn)個(gè)數(shù)（峰值點(diǎn)個(gè)數(shù)就是行走的步數(shù)）和幅值（幅值與腳步壓力呈函數(shù) 關(guān)系）。
[0051] 2、完成1步驟后，先開啟智能手機(jī)的藍(lán)牙功能，再打開與本系統(tǒng)配套的手機(jī)監(jiān)控 軟件；該軟件可自動(dòng)與附近智能鞋墊上的藍(lán)牙模塊完成配對(duì)，從而開始對(duì)鞋內(nèi)信息進(jìn)行監(jiān) 控；軟件界面能實(shí)時(shí)顯示從智能鞋墊上的藍(lán)牙模塊傳輸上來(lái)的鞋內(nèi)溫度、腳部壓力、蓄電池 剩余電量等信息。開啟計(jì)步功能后，用戶須先在界面相應(yīng)位置設(shè)置自己一步所走的行程，然 后軟件開始計(jì)算并顯示步數(shù)和行程；開啟加熱功能后，用戶須先在界面相應(yīng)位置設(shè)置預(yù)加 熱溫度和目標(biāo)溫度，預(yù)加熱溫度為起始加熱溫度，即當(dāng)鞋內(nèi)溫度低于此溫度時(shí)電熱片導(dǎo)通， 開始加熱；目標(biāo)溫度為加熱的目標(biāo)溫度，目標(biāo)溫度不能低于鞋內(nèi)不加熱時(shí)的溫度；系統(tǒng)自 動(dòng)狀態(tài)時(shí)，微處理器根據(jù)所測(cè)溫度與上一次的設(shè)定溫度判斷是否開始加熱功能，以及加熱 的目標(biāo)溫度。
[0052] 3、在不需要加熱或監(jiān)控腳步數(shù)據(jù)等功能時(shí)，用戶可通過(guò)功能選擇開關(guān)關(guān)斷加熱或 藍(lán)牙功能以節(jié)省電量。
[0053] 4、在緊急情況下，可通過(guò)mini-USB輸出接口給手機(jī)充電，為手機(jī)提供少量電能。
【權(quán)利要求】
1. 一種壓力自感知、自發(fā)電的智能鞋墊，其特征在于：拉鏈將上鞋墊體（1)和下鞋墊體 (10)連接在一起形成一個(gè)封閉空間，智能鞋墊其它部分包圍在其內(nèi)部；鞋墊形電熱片（2)， 置于上鞋墊體（1)和鞋墊夾層（10)之間，其加熱控制信號(hào)由微處理器給出；鞋墊夾層（3)， 固定智能鞋墊內(nèi)部的電氣元件和電路板；壓電疊堆（4)，置于鞋墊夾層（3)前部，檢測(cè)腳部 壓力、計(jì)算步數(shù)，并為本智能鞋墊提供電能；藍(lán)牙模塊（5)，置于鞋墊夾層（3)右后方；功能 選擇開關(guān)（6)，置于鞋墊夾層（3)右后方，是一個(gè)六觸點(diǎn)單通的旋鈕開關(guān)，控制電源通斷和 功能選擇；處理及控制模塊（7)，置于鞋墊夾層（3)后部，所有元器件均集成在一塊可彎曲 的電路板上，實(shí)現(xiàn)智能鞋墊的相關(guān)處理和控制功能；小容量蓄電池（8)，置于鞋墊夾層（3) 左后方；mini USB接口（9)，也置于鞋墊夾層（3)左后方，但在小容量蓄電池（8)前面，分為 輸入接口和輸出接口；智能手機(jī)（11)，運(yùn)行本發(fā)明配套的應(yīng)用軟件，通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)對(duì)智能 鞋墊的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2. 權(quán)利要求1所述的處理及控制模塊，包括：整形及電壓轉(zhuǎn)換電路、蓄電池充放電模 塊、穩(wěn)壓模塊和微控制器及其外圍電路；它們之間及其與智能鞋墊其它部分的連接關(guān)系如 下：壓電疊堆（4)的輸出信號(hào)為兩路，一路輸入到整形及電壓轉(zhuǎn)換電路中，另一路連接到微 處理器外圍電路，再進(jìn)入微處理器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；整形及電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入為壓電疊 堆（4)的其中一路輸出信號(hào)，輸出端連接到了蓄電池充放電模塊的電源輸入端；蓄電池充 放電模塊的電源輸入端與mini-USB電源輸入接口（9)也相連，其模塊內(nèi)部連接到了小容量 蓄電池（8)，以控制其充放電；蓄電池充放電模塊的電源輸出端與穩(wěn)壓模塊相連接，穩(wěn)壓模 塊將其輸出的5V直流電轉(zhuǎn)換為微處理器需要的3. 3V直流電；功能選擇開關(guān)（6)的輸出端 連接到了微處理器的輸入接口；微處理器的一個(gè)輸出口連接到了電熱片（2)的控制端；藍(lán) 牙模塊（5)與微處理器通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
【文檔編號(hào)】G01C22/00GK104207409SQ201410485647
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】李新波, 梁亮, 劉建芳, 周秀文, 高偉, 付云博, 劉維帥, 石要武, 吳越 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)
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