一种压力自感知、自发电的智能鞋垫的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种压力自感知、自发电的智能鞋垫，它由上、下鞋垫体、鞋垫夹层、电热片、压电叠堆、蓝牙�？�、功能选择开关、处理及控制�？�、蓄电池、mini-USB接口等部分组成，可通过蓝牙与智能手机上的应用软件通信；本发明使用了压电叠堆，可不用外接传感器就可测量脚部的压力和计算行走时的步数，以监测用户的活动水平、行走健康等问题，还可产生电能，具有自发电功能；还具有手机充电功能，可为手机提供少量电能，以应对紧急情况，特别适用于在野外没有电源的地方使用；具有节能、使用方便、安装简便和低成本等优点。
【专利说明】-种压力自感知、自发电的智能鞋垫
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能穿戴【技术领域】，尤其涉及一种压力自感知、自发电的智能鞋垫。
【背景技术】
[0002] 随着现代科技的进步和人们生活质量的提高，人们开始对我们的日常穿戴提出了 更高的要求，因此智能穿戴发展迅速，智能鞋垫就是其中的一种。杨慎达等人的专利"一 种医用智能测试调节负重量的鞋垫（No :201010216224. 8) "公开了一种医用智能测试调节 负重量的鞋垫，它由放在鞋垫内部的压力采集传感器和外接的信号处理器组成，该发明可 实时检测负重量，根据测量值调节负重量大�。阌诨颊呤鹾罂蹈炊土叮恢１蟮热说淖ɡ� "一种测定行走步态的智能鞋垫及方法（No :201310105338. 9) "与杨慎达等人的专利相似， 它通过压力传感器可随时测定使用者的行走步态，使人们能够及时了解自身的足部情况； 姬自生的专利"电热鞋垫（No :200620092588. 9)"、刘祖学的专利"多功能电热鞋垫（No : 201220040833. 7) "、吕维克的专利"电热鞋垫（No :200620157092. 5) "和周挺的专利"低压 电热鞋垫（No :201320076984. 2)"分别从不同的角度提出了一种可产生热量的电热鞋垫； 3L Lab在2014国际消费电子展（CES)上推出的鞋垫具备了三轴加速计和八个压力传感器， 能够监测用户的活动水平、行走健康等问题，还支持无线充电，其售价约200美元。以上智 能鞋垫和现有的智能鞋垫均需要自带大容量蓄电池或外接电源才能实现其功能，并且要在 鞋垫内部集成各种传感器，这必然导致鞋垫的安全性受到质疑，成本会也比较高。
[0003] 研究表明压电陶瓷受到挤压时可产生电，当对其进行周期性的挤压时，可产生同 频率的周期性的电信号，并且挤压时力越大，产生的电信号的幅值越大，对应的电能也越 多。翟振明等人的专利"一种鞋垫式步行输入传感装置"所用的压电传感器正是利用了压 电陶瓷片的压电效应，将应力（或应变）转换成电压或电荷，再通过放大进行放大和输出的 装置。翟振明等人利用了压电陶瓷输出电压或电荷与其所受应力存在相关性的特点，但并 未提及和利用压电陶瓷输出电压的周期与人行走时步调相关的特点，即可以通过测量压电 陶瓷输出电压的周期数间接得到人行走的步数，本发明正是基于这一原理对现有技术进行 了改进和发明，通过相应的处理电路测得压电陶瓷所产生电信号的周期数和幅值，产生的 电能还可以收集起来给处理电路供电。
【发明内容】
[0004] 针对现有智能鞋垫存在的问题和压电陶瓷的压电效应，本发明公开了一种压力自 感知、自发电的智能鞋垫。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种压力自感知、自发电的智能鞋垫，包括：上、下鞋垫体、鞋垫夹层、电热片、压电 叠堆、蓝牙模块、功能选择开关、处理及控制�？�、蓄电池、mini-USB接口、智能手机应用软 件。
[0007] 所述上、下鞋垫体为智能鞋垫的上表面和下表面，用于保护鞋垫内的电路和元器 件；其中上表面与人的脚接触，下表面与鞋底接触；两鞋垫体边沿均分别为两条可配对的 拉链链带，可通过拉链将上下鞋垫体连接在一起，并形成一个封闭空间，用于放置智能鞋垫 的其它部分。
[0008] 所述鞋垫夹层为介于上鞋垫体和下鞋垫体之间的一个夹层，略小于上、下鞋垫体， 放置于上下鞋垫体形成的封闭空间内；其相应位置已经掏空，用于固定智能鞋垫内部的电 路和元器件。
[0009] 所述电热片为鞋形低压电热片，略小于鞋垫夹层，置于上鞋垫体和鞋垫夹层之间， 与处理及控制模块相连，用于对鞋子内部加热和保暖。
[0010] 所述压电叠堆为本智能鞋垫的核心部件，由若干个压电陶瓷片并联组成，固定在 鞋垫夹层脚掌或脚后跟位置，用于检测脚部压力、计算步数和给本智能鞋垫提供电能；其输 出分为两路，一路用于给蓄电池充电，另一路经过处理后进入微处理器的模数转换引脚，用 于计算脚步压力和行走步数。
[0011] 所述蓝牙模块为集成的小型蓝牙从机�？椋ü型ㄐ沤涌谟肟刂破飨嗔� 运行在智能手机上的蓝牙应用软件配套使用，可实现智能鞋垫与智能手机之间的通信。
[0012] 所述功能选择开关为一个六触点单通的旋钮开关，用于控制智能鞋垫的各项功 能，如接通电源、开启或关断加热功能、开启或关断蓝牙功能等。
[0013] 所述处理及控制模块包括：整形及电压转换电路、蓄电池充放电�？�、稳压�？楹� 微控制器及其外围电路。所述整形及电压转换作用是将压电叠堆输出的交流电转换为正 5V的直流电，其直流电输出端与蓄电池充放电模块的电源输入端相连，可将电能输入到蓄 电池充放电模块；所述蓄电池充放电�？樽饔檬鞘占沟绲咽涑龅牡缒苡糜诙孕畹绯爻� 电，同时也可将蓄电池内部存储的电能释放出来，对蓄电池起到保护作用，如充电时可根据 电池的特性选恒流或恒压方式充电，放电时可输出稳定的电压，有过充或过放保护等；稳压 �？樽饔檬墙畹绯爻浞诺缒？榈氖涑龅缪刮榷ㄔ谖⒖刂破鞯墓┑绲缪狗段冢凰鑫⒖� 制器及其外围电路为单片机最小系统电路和与其它�？榈慕涌诘缏�。
[0014] 所述蓄电池为小容量聚合物锂电池，其作用是收集压电叠堆产生的电能并且给其 它用电部分供电；由于本发明所用的压电叠堆可以在人们行走时产生电能，可随时给蓄电 池充电，所以本发明可以使用容量更小的蓄电池，这样不仅能减少成本，还能减小鞋垫的体 积和质量，同时也能提高系统安全性（大容量电池在发生泄露或爆炸时�：Ω螅�。
[0015] 所述mini-USB接口分为输入接口和输出接口，分别与蓄电池充放电�？榈牡� 能输入端和电能输出端相连；mini-USB输入接口可连接充电器，从外部对蓄电池充电， mini-USB输出接口可在紧急情况下对手机进行充电。
[0016] 所述智能手机应用软件为安装在智能手机上的应用程序，智能手机必须具有蓝牙 功能才能使用本软件；在手机和本智能鞋垫均开启蓝牙功能后运行本应用软件，完成蓝牙 配对后，可通过该软件对智能鞋垫进行监控。
[0017] 上述智能鞋垫的实现方法，包括如下步骤：
[0018] 1、鞋垫夹层上相应的位置已掏空，将压电叠堆、蓝牙�？�、功能选择开关、处理及 控制�？�、蓄电池、mini-USB接口等固定在相应的位置上，并按照前文所述方法进行连接；
[0019] 2、将电热片连接到鞋垫夹层上的处理及控制�？樯希⑵狡逃谛婕胁阒希� 电热片连同鞋垫夹层及其之上的电路和元器件放入上下鞋垫之间，拉上上下鞋垫上的拉 链，使之形成一个完整的智能鞋垫；
[0020] 3、将智能鞋垫置于合适的鞋子内，当用户行走时，就会踩压鞋垫，鞋垫内部的压电 叠堆就会产生与人行走步调一致的周期性电信号，并且踩压鞋垫的力越大时，电信号的幅 值就会越大，产生的电能也就越多；智能鞋垫内部的处理电路可对该电信号进行测量，得到 相应的周期数和幅值，并且通过相应电路对该电能进行收集；微处理器可根据所测得的电 信号计算出人们行走的步数和脚部的压力；
[0021] 4、可通过功能选择开关设定智能鞋垫的功能，可选功能有接通电源、自动、开/关 加热、开/关蓝牙、开（或关）加热及蓝牙；当自动或加热开启时，微处理器会根据设定的温 度开始或关断加热片的加热功能，实现智能温控；当自动或蓝牙开启时，可通过运行在智能 手机上的应用软件连接本智能鞋垫，对智能鞋垫进行实时监控；
[0022] 5、通过智能手机应用软件可实时显示人们行走的步数，当设定好每步所走的行程 后，可计算出人们走过的路程；可实时显示电池剩余电量、人们行走时脚部的压力和温度； 可开启或关断加热功能，并设置加热的目标温度（目标温度不可低于鞋子内部不加热时的 温度），微处理器会实时监控鞋内温度，并控制加热，使鞋内温度维持在目标温度范围内。
[0023] 本发明的优点和积极效果：
[0024] 1、本发明可不用外接传感器就可测量脚部的压力和计算行走的步数，以监测用户 的活动水平、行走健康等问题，降低了智能鞋垫的成本；
[0025] 2、本发明所用压电叠堆可产生电能，具有自发电功能，实现相同功能和使用同样 长时间的情况下，可采用更小的蓄电池，这样有利于减小智能鞋垫体积和质量，同时可解决 大容量蓄电池带来的安全和成本问题；
[0026] 3、本发明采用可拆卸的方式拼接鞋垫各结构，取出电热片连同鞋垫夹层及其之上 的电路和元器件后，上、下鞋垫体可水洗，使之应用更加人性化。
[0027] 4、智能鞋垫放入鞋内后，用户正常行走时就可发电，还具有手机充电功能，可为手 机提供少量电能，以应对紧急情况，特别适用于在野外没有电源的地方使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明智能鞋垫的结构爆炸图；
[0029] 图2为本发明智能鞋垫的功能框图；
[0030] 图3为各压电陶瓷片并联的压电叠堆示意图；
[0031] 图4为人行走时鞋底压电叠堆输出电压曲线；
[0032] 图5为放大及整形电路电路图；
[0033] 图6为降压/升压转换电路电路图；
[0034] 图7为蓄电池充放电�？榈缏吠迹�
[0035] 图8为微控制器及其外围电路电路图。
[0036] 图1中：1-上鞋垫体，2-电热片，3-鞋垫夹层，4-压电叠堆，5-蓝牙�？椋�6-功能 选择开关，7-处理及控制�？椋�8-小容量蓄电池，9-mini USB接口，10-下鞋垫体，11-智能 手机。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不仅 限于此。
[0038] -、本发明一种压力自感知、自发电智能鞋垫的结构爆炸图如图1所示，功能框图 如图2所示，具体实施步骤如下：
[0039] (1)图1为本发明一种压力自感知、自发电智能鞋垫的结构爆炸图；图中1和10 分别是上、下鞋垫体，其边沿均分别为两条可配对的拉链的链带（图中未画出），可通过拉 链将上下鞋垫体连接在一起形成一个封闭空间，将智能鞋垫其它部分包围在其内部；图中 2为鞋垫形电热片，用于需要时给鞋内部加热和保温，其加热控制信号由微处理器给出；图 中3为鞋垫夹层，用于固定智能鞋垫内部的电气元件和电路板，其掏空部分即为电气元件 和电路板所在位置；图中4为压电叠堆，用于检测脚部压力、计算步数和给本智能鞋垫提供 电能；图中5为蓝牙�？椋糜谑迪种悄苁只捅局悄苄娴睦堆牢尴咄ㄐ牛煌贾�6为功能 选择开关，是一个六触点单通的旋钮开关，用于控制电源通断和部分功能选择；图中7为处 理及控制模块，所有元器件均集成在一块可弯曲的电路板上，实现智能鞋垫的相关处理和 控制功能；图中8为小容量蓄电池，本实施例中选用的是容量为200mA的聚合物锂电池；图 中9为miniUSB接口，分为输入接口和输出接口，输入接口可用于对蓄电池充电，输出接口 可为其它设备充电；图中11为智能手机，其具有蓝牙功能，可运行本发明配套的应用软件。
[0040] (2)图2为本发明一种压力自感知、自发电智能鞋垫电气部分的功能框图，图中智 能手机具有蓝牙功能，可运行本与发明配套的应用软件，与智能鞋垫通过蓝牙无线通信进 行数据交换；图中压电叠堆的输出信号分为两路，一路输入到整形及电压转换电路中，另一 路连接到了微处理器的外围电路中，再进入微处理器中进行模数转换；图中整形及电压转 换电路的输入为压电叠堆的其中一路输出信号，输出端连接到了蓄电池充放电�？榈牡缭� 输入端，蓄电池充放电�？榈牡缭词淙攵擞雖ini-USB电源输入接口也相连，其�？槟诓苛� 接到了小容量锂电池，以控制其充放电，蓄电池充放电模块的电源输出端与稳压�？橄嗔� 接，稳压模块将其输出的5V直流电转换为微处理器需要的3. 3V直流电；功能选择开关的 多个输出端连接到了微处理器的输入接口；微处理器的一个输出口连接到了电热片的控制 端；图中蓝牙�？橛胛⒋砥魍ü型ㄐ沤涌诮惺萁换�。
[0041] 二、图2中相应�？樗杂Φ摹揪咛迨凳┓绞健咳缦�：
[0042] (1)如图3所示为压电叠堆结构示意图，图中各压电陶瓷片相互并联，a、b为其电 信号输出端，多个压电陶瓷片并联可增加其输出功率。
[0043] (2)如图5所示为放大及整形电路，对应于图2中整形及电压转换电路的整形部 分，其作用是将压电叠堆的输出电压放大两倍并整形为直流电，为防止压电叠堆的输出电 压过�。蛔阋郧笮缏罚虼吮镜缏范钔庠黾恿说缪狗糯蠡方冢煌贾衁1即为图2中的 压电叠堆；图中信号AD_in连接到了微控制器模数转换引脚的外围处理电路的输入端，用 于测试压电叠堆的输出电压，以判断其峰值大小和个数，从而推算出脚部的压力和行走的 步数；图中瓷片电容CL2、CL3、C3和二级管Dl、D2、D3实现放大及整流功能，稳压二级管用 于限制输出电压幅值，保护后续电路，电解电容C4和瓷片电容C5用于进一步对直流信号滤 波；输出端P〇wer_out连接到了图2中整形及电压转换电路的电压转换电路部分的电源输 入端。
[0044] (3)如图6所示为降压/升压转换电路，对应于图2中整形及电压转换电路的电 压转换电路部分，其作用是将经放大及整形电路整形后的输出电压转换为+5V直流电压； 本电路的核心是TI公司生产的TPS63061降压/升压芯片，它可将2. 5V?12V的直流电 压转换为5V的直流电压，以适应不同脚部压力下压电叠堆输出电压波动大的影响；图6中 Power_out输入端连接到了图5放大及整形电路的Power_out输出端；图中C6?C12均为 瓷片电容，R1?R3均为1%精度的碳膜电阻，L1为电感，它们的大小在图中已详细标出； +5V输出电压连接到了图2中蓄电池充放电�？榈牡缭词淙攵�。
[0045] (4)如图7所示为蓄电池充放电模块电路图，对应于图2中的蓄电池充放电模块， 其作用是控制锂电池的充放电，同时对电池进行保护和指示电量，其核心为"深圳市华芯邦 科技有限公司"生产的锂电池充电管理芯片HT4901 ;如图7所示，HT4901是一个16引脚 的芯片，L1?L4为电量指示引脚，KEY为控制端，它们均连接到了微处理器对应的输入端 口，用于记录电池电量和程序控制模块的运行；图中P1、P2分别为mini-USB电源输入和输 出接口，P1可经接充电器对电池进行充电，P2可以连接手机，对手机进行充；BT1为容量是 200mAH的聚合物锂电池，三级管Q2用于控制其通断，Q2的控制端Battery接到了功能选择 开关的一个引脚；输入的+5V信号为降压/升压转换电路的输出信号，VCC为�？榈牡缭词� 出；其它电路为HT4901的典型应用电路，可以参见其技术手册。
[0046] (5)图8为微控制器及其外围电路，图中实际包括了图2中微处理器及其外围电路 和稳压�？椋煌贾蠻4芯片，型号为LM1117s-3. 3V，它与电容C25?C27共同构成稳压�？椋� 其作用是将蓄电池充放电�？榈牡缭词涑鲂藕抛晃⒋砥骷捌渫馕У缏返�+3. 3V供 电电压；U3为本发明的微控制器，它是"新华龙电子有限公司"生产的增强型51单片机，型 号为C8051F350 ;图中AD_in连接到了图5中压电叠堆的输出信号AD_in，该信号经过R15、 R16、C23和C24组成的阻容网络后进入单片机的ΑΙΝΟ. 0和ΑΙΝΟ. 1引脚，用于进行模数转 换J2为单片机的程序下载和调试接口；L1?L4以及KEY与图7中同名引脚相连；SW-6WAY 为功能选择开关，各端子均连接了 10ΚΩ的上拉电阻，其中2?6号端子接到了单片机的5 个输入端，用于功能选择，1号端子与图7中Battery端口相连，用于开关电源，当旋钮开关 与1接通时，电源关断，与其它端口接通时电源开并选择了相应功能；Q1为三极管，型号为 SS8050,用于控制电热片的通断，DG_GND端口连接到电热片（图中未画出电热片）一端，电 热片另一端连接电源VCC，Q1的控制端连接到单片机的输出引脚P0. 7 ;图中RX、TX与蓝牙 �？榈南嘤νㄐ哦丝谙嗔糜谑迪钟胧只奈尴咄ㄐ�。
[0047] 三、计步、发电和压力自感知原理：
[0048] 图4为人们行走时鞋底压电片输出电压曲线，它是将压电陶瓷片置于鞋底，在其 输出端并联一个50K的电阻，用户行走时，用示波器测试该电阻两端得到电压曲线并截图 所得；从图中可以看出，当人们行走时压电陶瓷片的输出是一个周期信号，其每一个周期均 代表走路时脚着地和抬起的一个过程，通过微处理器检测其峰值点的个数就可以得到人们 所行走的步数；实验表明脚着地时对鞋的踩压力越大，压电陶瓷输出电压的峰值越大，因此 可通过测量其峰值间接计算出脚部压力值；由压电效应知压电陶瓷受到挤压时能产生电 能，可对其输出的电能进行收集利用，以实现发电功能。
[0049] 四、上述智能鞋垫的实现方法，还包括如下步骤：
[0050] 1、在用户鞋内放入大小合适的智能鞋垫，将功能选择开关的旋钮拨到2号端子， 此时智能鞋垫进入自动状态，蓝牙功能自动开启，微控制器C8051F350采用其内部温度传 感器对鞋内温度进行监控，对P〇. 0?P〇. 3引脚的电平进行监控以得到电池电量，采用差分 的方法测量ΑΙΝ0.0引脚和ΑΙΝΟ. 1引脚的电压差以监控压电叠堆的电压变化，从而计算出 其输出电压的峰值点个数（峰值点个数就是行走的步数）和幅值（幅值与脚步压力呈函数 关系）。
[0051] 2、完成1步骤后，先开启智能手机的蓝牙功能，再打开与本系统配套的手机监控 软件；该软件可自动与附近智能鞋垫上的蓝牙�？橥瓿膳涠裕佣级孕谛畔⒔屑� 控；软件界面能实时显示从智能鞋垫上的蓝牙模块传输上来的鞋内温度、脚部压力、蓄电池 剩余电量等信息。开启计步功能后，用户须先在界面相应位置设置自己一步所走的行程，然 后软件开始计算并显示步数和行程；开启加热功能后，用户须先在界面相应位置设置预加 热温度和目标温度，预加热温度为起始加热温度，即当鞋内温度低于此温度时电热片导通， 开始加热；目标温度为加热的目标温度，目标温度不能低于鞋内不加热时的温度；系统自 动状态时，微处理器根据所测温度与上一次的设定温度判断是否开始加热功能，以及加热 的目标温度。
[0052] 3、在不需要加热或监控脚步数据等功能时，用户可通过功能选择开关关断加热或 蓝牙功能以节省电量。
[0053] 4、在紧急情况下，可通过mini-USB输出接口给手机充电，为手机提供少量电能。
【权利要求】
1. 一种压力自感知、自发电的智能鞋垫，其特征在于：拉链将上鞋垫体（1)和下鞋垫体 (10)连接在一起形成一个封闭空间，智能鞋垫其它部分包围在其内部；鞋垫形电热片（2)， 置于上鞋垫体（1)和鞋垫夹层（10)之间，其加热控制信号由微处理器给出；鞋垫夹层（3)， 固定智能鞋垫内部的电气元件和电路板；压电叠堆（4)，置于鞋垫夹层（3)前部，检测脚部 压力、计算步数，并为本智能鞋垫提供电能；蓝牙�？椋�5)，置于鞋垫夹层（3)右后方；功能 选择开关（6)，置于鞋垫夹层（3)右后方，是一个六触点单通的旋钮开关，控制电源通断和 功能选择；处理及控制模块（7)，置于鞋垫夹层（3)后部，所有元器件均集成在一块可弯曲 的电路板上，实现智能鞋垫的相关处理和控制功能；小容量蓄电池（8)，置于鞋垫夹层（3) 左后方；mini USB接口（9)，也置于鞋垫夹层（3)左后方，但在小容量蓄电池（8)前面，分为 输入接口和输出接口；智能手机（11)，运行本发明配套的应用软件，通过蓝牙实现对智能 鞋垫的实时监控。
2. 权利要求1所述的处理及控制�？椋�：整形及电压转换电路、蓄电池充放电模 块、稳压模块和微控制器及其外围电路；它们之间及其与智能鞋垫其它部分的连接关系如 下：压电叠堆（4)的输出信号为两路，一路输入到整形及电压转换电路中，另一路连接到微 处理器外围电路，再进入微处理器中进行模数转换；整形及电压转换电路的输入为压电叠 堆（4)的其中一路输出信号，输出端连接到了蓄电池充放电�？榈牡缭词淙攵耍恍畹绯爻� 放电�？榈牡缭词淙攵擞雖ini-USB电源输入接口（9)也相连，其模块内部连接到了小容量 蓄电池（8)，以控制其充放电；蓄电池充放电�？榈牡缭词涑龆擞胛妊鼓？橄嗔樱妊鼓� 块将其输出的5V直流电转换为微处理器需要的3. 3V直流电；功能选择开关（6)的输出端 连接到了微处理器的输入接口；微处理器的一个输出口连接到了电热片（2)的控制端；蓝 牙�？椋�5)与微处理器通过串口进行数据交换。
【文档编号】G01C22/00GK104207409SQ201410485647
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】李新波, 梁亮, 刘建芳, 周秀文, 高伟, 付云博, 刘维帅, 石要武, 吴越 申请人:吉林大学
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