深度剖析免布线不用电池的遥控开关：用压电陶瓷实现低成本方案
深度剖析免布线不用电池的遥控开关：用压电陶瓷实现低成本方案
自发电无线开关是一种创新的智能家居控制方案，它通过按压产生电能来实现无线信号发射，从而控制灯光等设备。这种开关不仅免去了布线的麻烦，还避免了电池更换的困扰。本文将深入剖析其工作原理，并探讨如何通过低成本方案实现这一技术。
自发电无线开关的工作原理
自发电无线开关或门铃可分成两个部分：一个是发送端（按钮），另一个是接收端。发送端无需电池供电，它能自己产生电能，但接收端是需要供电的。当门外的门铃按钮被按下时，内部的机构就会产生电能，产生的电能能使电路短暂的工作，射频模块发射无线信号到室内的门铃主机上，然后门铃主机就能发出声音。
发电原理
可能有朋友会比较好奇：开关按一下产生的电能足够发射信号吗？下面我们来看看这是到底是怎么实现的！
上图就是门铃按钮的内部主要结构了：由按压发电模块发电给电路，电路就可以发射无线信号了。按压发电模块是一种采集短行程按压能量的微型发电装置，按压可产生电能。
按压发电模块的原理其实在学校物理已经学过，无非就是电磁感应原理，电磁感应是指磁通量变化产生感应电动势的现象，也就是磁铁在线圈中运动，线圈切割磁感线就能产生感应电流现象。当然，线圈所产生的电压是比较小的，是需要进行升压处理的，如可以使用 ME2188 等芯片进行升压，升压之后供电给单片机和无线发射电路发送相关控制信号。
无线接收端接线圈发电块及无线发射模块
自发电无线开关的优势与局限
自发电无线开关的优势在于开关不用施工布线，发送端不需要电池，后期免维护，适合家庭使用。缺点是室内传输距离大概四五十米左右。
简单地说，自发电开关不用接电线，也不需要安装电池。它是靠内置的微型动能电机采集能量，在手指按下开关的瞬间将机械动能转化成电能，并发出信号指令以控制电灯的开启与关闭。采用数字无线调频的方式控制电灯打开关闭，它不需要接电线供电，也不需要安装电池，可以一劳永逸的工作。因为在它的内部装置有微能量采集发线圈，当用手按压开关面板时，发线圈就会产生电能，为无线电发射装置提供电源。只有用手去按按键时，无线电才会有电工作，平时处于静止状态，不消耗任何能源。
没有电线与电池的束缚，再也不受动手能力的制约，再也无需凿墙挖孔，再也无需布管穿线；这就就很方便了，爱怎么装就怎么装。
- 无须电池、无须布线、无须维护、安装简单想怎么装就怎么装
- 平均每天使用 8 次，使用寿命可长达 60 年
- 内置微能量采集、电源管理与无线发射组件，在按键的瞬间产生电能，平时静止，没有任何损耗。
- 外壳采用防火材料、防水、抗老化等
- 1-3 组按键可独立运行，互不干扰
- 不用凿墙、不用挖孔、不用布线
发电线圈外形结构图
成本优化方案
自发电开关，包括开关主体，导磁支架，线圈组，切磁支架，所述切磁支架的首端通过切磁转轴与导磁支架可活动连接，其尾端设有强永磁铁和可导磁按键，按键的底部设有复位弹簧，开关主体、导磁支架、复位弹簧与按键均为可导磁结构，复位弹簧通过受力压缩时与开关主体连接，按键与导磁支架连接，开关主体、导磁支架、按键与复位弹簧形成闭合的导磁回路；复位弹簧通过复位与开关主体分离，导磁回路断开。自发电开关还包括信号发射模块，线圈组与信号发射模块电性连接。
所述切磁支架上设有磁铁架，强永磁铁与其下端的导磁块设置于磁铁架内，导磁块与按键夹紧固定强永磁铁，磁铁架上设有安装有凸台，切磁支架上设有与安装凸台对应的安装孔。所述导磁块与按键形成限位框，导磁支架的一端伸入限位的框内。所述开关主体还包括定位骨架，定位骨架呈钩扣形状，导磁支架通过定位骨架与开关本体固定连接。
这个结构缺点是体积过大，产品厚重做不到很薄。线圈制造工艺成本高。市场价格在 30 到 40 之间，总体价格偏高。
根据原理有没有办法降低产品成本来适应大众市场消费价格呢，答案是肯定的，并且可以实现更低的成本。使用压电陶瓷取代发发电线圈成本和体积能很好解决上述问题，压电陶瓷片直径 35mm 的
下面来同大家分析一下压电陶瓷片的发电原理。压电陶瓷片是靠压电效应进行电能量转换的。当压电陶瓷片上受到外加压力时，陶瓷片发生机械变化，其极化强度随之变小，使一部分附加在陶瓷片表面的电荷释放出来，而产生放电现象。当压力取消后又恢复原状极化强度增大，电极上又吸附一部分电荷，出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象称为“正压电效应”，如图所示。
原理图片
利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个振动时，就会因弯曲振动产生电能。因此压电振子的支撑方式（或边界条件）和结构尺寸是影响压电振子发电能力的另一重要因素。压电振子支撑方式（或边界条件）不同，其工作方式及能量输出特点将有较大差异。通常，压电振子有四种不同的边界条件，如图所示：
(1) 悬臂支撑：这种方式可产生最大的挠度，同时具有较低的谐振频率。矩形压电发电元件多采用此方式。
(2) 周边固定支撑：对于压电陶瓷晶片自身，其周边固定的机电耦合系数极低，不适合用于压电发电。
(3) 自由边界支撑：该方式结构安装不方便，实际上也很少采用。
(4) 简支支撑：该方式压电弯曲元件支撑在振动的波节上（即波节支撑），支撑的结构轻便、结实，而且装置的损耗也降到最低程度。圆片形压电振子常采用简单支撑方式。来实现按压发电。(如下图压电无线开关的结构)。这种奇妙的效应已经被人们应用到我们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器（打火机）、移动 X 光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在 100 万次以上。可以用压电陶瓷把动能转换成电能。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动能转换成电压能来实现无线控制信号发射。由于按压发电能量非常快。所以要采用高速率的频率才能满足我遥控的使用要求。如果能用这个廉价的低压电陶瓷片来完成发电任务，则成本将大大降低，是其它发电元件无法比拟的优势，体积更簿价格更低(一片压电陶瓷片 1 元不到)。再加上发射电路也只有几块钱。因此适合大学生。低廉的价格完全可以取代市面上所有的遥控开关，让天下的开关没有布线变为现实。
下面来分析一下用这压电陶瓷片发电的可行性：
安装压电陶瓷片壳体图片
上面我们通过视频来验证一下，这个方案是否可行，通过视频大家可以看到很清楚，是可以实现远距离无线控制的，展示由于拍摄需要无法看到远距离控制，我实测四十米的距离是没有问题，已能满足一般家庭应用场合使用了。
结构图片
免换电池的无线面板
不用电池的门铃无线遥控器