張博

（鄭州中學(xué)，河南鄭州，450000）

0 緒論

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)于生活質(zhì)量有了更高的追求。對(duì)于一些寒性體質(zhì)的人，稍微冷一點(diǎn)的天氣，各肢體末端都會(huì)變得冰涼，尤其是腳趾，無(wú)論穿什么樣的保暖鞋也解決不了問(wèn)題。而腳趾長(zhǎng)時(shí)間處于冰冷狀態(tài)對(duì)于人的健康是很不利的。而對(duì)于這方面的改善，很多都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)、藥物以及相應(yīng)的調(diào)理，這些措施在一定的程度上可以緩解肢體末端冰冷的情況，但是這需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。另一方面，就是采用保暖設(shè)備，目前的保溫鞋的設(shè)計(jì)都是從材料方面入手的，主要就是利用各種保溫材料作為鞋子或者靴子的材料，例如各種動(dòng)物的毛皮。但是從社會(huì)反映過(guò)的情況來(lái)看，這種方法所起到的效果還是有限的。并且，這樣的鞋子往往在價(jià)格方面都非常的昂貴，并不是所有的人都可以負(fù)擔(dān)得起的。因此，設(shè)計(jì)制造一款智能型的保溫鞋來(lái)解決上述問(wèn)題就顯得尤為重要。

該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要解決鞋子內(nèi)的保溫問(wèn)題，上述利用材質(zhì)的方法并不完全可行。因此本設(shè)計(jì)計(jì)劃在鞋子內(nèi)設(shè)置自己可以發(fā)熱的設(shè)備，并且該設(shè)備能夠自動(dòng)控溫，并且為了耐久性的實(shí)現(xiàn)，還需要該設(shè)備可以無(wú)限的提供熱量。針對(duì)以上所述，本設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題有：

（1）鞋內(nèi)溫度的檢測(cè)問(wèn)題。

（2）鞋子內(nèi)溫度的保持問(wèn)題。

（3）鞋子內(nèi)電能的消耗解決問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)制作的是一款智能型保溫鞋，該智能鞋需要解決鞋內(nèi)溫度自動(dòng)保持的問(wèn)題。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，目前的自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有單片機(jī)控制類以及PLC控制類。由于PLC的體積，能耗等方面的因素的制約，其多用于工業(yè)生產(chǎn)方面，因此本設(shè)計(jì)利用的是單片機(jī)控制的方法。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)溫度的恒定保持，就要解決溫度的測(cè)量以及熱量的產(chǎn)生問(wèn)題?；谝陨纤?，本設(shè)計(jì)制作了溫度識(shí)別系統(tǒng)，狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)、發(fā)熱裝置，中央控制裝置系統(tǒng)以及發(fā)電裝置來(lái)解決上述問(wèn)題。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

經(jīng)過(guò)衡量對(duì)比，該款設(shè)計(jì)所用到的元器件如下：對(duì)于溫度的檢測(cè)采用的溫度傳感器的型號(hào)為DS18B20，對(duì)于壓力的檢測(cè)所用到的壓力傳感器的芯片型號(hào)為HX711。該設(shè)計(jì)所用到的單片機(jī)的型號(hào)為STC89C51。此外，本設(shè)計(jì)還用到了繼電器模塊。本設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的是鞋內(nèi)溫度的恒定保持，首先就要解決溫度識(shí)別的問(wèn)題，對(duì)于此本設(shè)計(jì)利用溫度傳感器來(lái)識(shí)別鞋內(nèi)的溫度，并將該信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)命令發(fā)熱裝置對(duì)鞋內(nèi)的溫度進(jìn)行保持控制。由于在晚上鞋子并不使用，在此時(shí)間內(nèi)繼續(xù)溫度的保持工作必然導(dǎo)致能量的大量浪費(fèi)，由于穿上與不穿鞋子的鞋子底部壓力必然不相同，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了壓力傳感器來(lái)檢測(cè)底部的壓力，以此作為是否啟動(dòng)保溫系統(tǒng)的依據(jù)。本設(shè)計(jì)利用電阻絲作為發(fā)熱裝置。此外，為了一方面為了長(zhǎng)期保持鞋內(nèi)電能的穩(wěn)定供應(yīng)，另一方面響應(yīng)國(guó)內(nèi)節(jié)能減排政策的號(hào)召，本設(shè)計(jì)在鞋子內(nèi)部設(shè)置運(yùn)動(dòng)發(fā)電的裝置，由于該裝置需要占用一定的空間，為了提高發(fā)電效率也為了美觀，本設(shè)計(jì)將該裝置設(shè)計(jì)在鞋子的內(nèi)底部，因此，本設(shè)計(jì)還具有增高的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器：溫度傳感器使指能夠感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。目前電阻式溫度傳感器應(yīng)用最為普遍，其利用的原理為金屬隨著溫度的變化，其電阻值也發(fā)生變化。該設(shè)計(jì)模型利用的溫度傳感器為DS18B20，該種傳感器在體積、抗干擾能力以及精度方面都非常有優(yōu)勢(shì)，很適合本設(shè)計(jì)。

壓力傳感器：壓力傳感器是指能夠感受壓力，并且將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。而其中的壓阻式力傳感器是壓力傳感器中應(yīng)用的非常廣泛的一種傳感器。懸臂梁是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一，懸臂梁能夠?qū)毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而電壓信號(hào)與單片機(jī)之間的信息交換則有賴于專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。本設(shè)計(jì)利用的轉(zhuǎn)換芯片是HX711，其是專門為電子秤設(shè)計(jì)的一種A/D轉(zhuǎn)換器芯片，無(wú)論在精度還是反應(yīng)速度方面都非常具有優(yōu)勢(shì)。

單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)目前在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用設(shè)備、軍工產(chǎn)業(yè)、人工智能等方面技術(shù)都得到了快速的提高，幾乎已經(jīng)變的無(wú)可替代。本設(shè)計(jì)所用到的單片機(jī)的型號(hào)為STC89C51，該款單片機(jī)的體積非常小，并且功耗低，操作簡(jiǎn)單。

繼電器：由于單片機(jī)輸出的電壓為5伏，而本設(shè)計(jì)中的電阻絲所需的電壓為12伏，顯然是不能夠利用單片機(jī)來(lái)為電阻絲提供電源的。本設(shè)計(jì)利用繼電器作為中間橋梁，使得單片機(jī)能夠控制電阻絲加熱電路的開通以及關(guān)閉。

電源模塊：本設(shè)計(jì)中的電源對(duì)于續(xù)航性有很高的要求，并且致力于將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能。因此，本設(shè)計(jì)除了設(shè)置有蓄電池外，在鞋子內(nèi)底部放置有多個(gè)壓電陶瓷片，壓電陶瓷片利用的原理是正壓電效應(yīng)，即:某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。并且由于單片機(jī)所用的電源為5伏，而發(fā)熱裝置所用的電壓為12伏，而蓄電池輸出的電壓也為12伏，因此還需配置DC-DC轉(zhuǎn)換模塊來(lái)作為電壓的轉(zhuǎn)換媒介。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能為保持鞋內(nèi)部的溫度的溫暖與恒定，而整個(gè)保溫系統(tǒng)的啟動(dòng)首先要解決的問(wèn)題是鞋內(nèi)部壓力的識(shí)別問(wèn)題，本設(shè)計(jì)利用的是壓力傳感器，其能夠?qū)毫π盘?hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由于電壓信號(hào)為模擬量，而單片機(jī)所能識(shí)別的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)懸臂梁輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。該設(shè)計(jì)用到的是HX711，該芯片能夠有效的將電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。而為了保持鞋內(nèi)部溫度的溫暖與恒定，首先要解決的是溫度的測(cè)量問(wèn)題，當(dāng)然這里面的要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為溫度傳感器與單片機(jī)之間的通信問(wèn)題，本設(shè)計(jì)所使用的溫度傳感器為DS18B20，其利用的是單總線通信方式，由于只有一根信號(hào)線，所以其優(yōu)點(diǎn)十分突出，十分節(jié)省I/O口、節(jié)省資源，也降低了成本。在解決溫度的檢測(cè)問(wèn)題之后，就需要設(shè)定一個(gè)適宜的溫度值，在鞋內(nèi)溫度小于這個(gè)值時(shí)，發(fā)熱設(shè)備打開。當(dāng)鞋內(nèi)部溫度大于這個(gè)值時(shí)，發(fā)熱設(shè)備關(guān)閉。而這個(gè)問(wèn)題在程序中就能很輕松的解決，本設(shè)計(jì)利用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)結(jié)合了電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息轉(zhuǎn)換技術(shù)以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面知識(shí)，完成了該款智能保溫型增高鞋的設(shè)計(jì)，使其能夠在合適的情況下自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)鞋子內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)與恒定。該設(shè)計(jì)是在工業(yè)自動(dòng)化方向上發(fā)展設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)物，是我們國(guó)家完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化在個(gè)人用品方面的體現(xiàn)。該設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)代自動(dòng)控制方面的典型體現(xiàn)，該設(shè)計(jì)的成功在很大情況下可以應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的類似領(lǐng)域當(dāng)中去。此外，由于現(xiàn)在對(duì)于節(jié)能環(huán)保方面的提倡，該設(shè)計(jì)所采用的將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的這種形式也是一個(gè)非常不錯(cuò)的設(shè)計(jì)，一方面減少了更換電池所引起的麻煩，另一方面節(jié)省了能源。并且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，相信該款鞋子還有可能成為電能的輸出裝置，為人們的手機(jī)、手電等小型的用電設(shè)備提供電能。