智能保溫型增高鞋的設計

張博

（鄭州中學，河南鄭州，450000）

0 緒論

隨著社會的發展進步，人們對于生活質量有了更高的追求。對于一些寒性體質的人，稍微冷一點的天氣，各肢體末端都會變得冰涼，尤其是腳趾，無論穿什么樣的保暖鞋也解決不了問題。而腳趾長時間處于冰冷狀態對于人的健康是很不利的。而對于這方面的改善，很多都是通過運動、藥物以及相應的調理，這些措施在一定的程度上可以緩解肢體末端冰冷的情況，但是這需要相當長的時間。另一方面，就是采用保暖設備，目前的保溫鞋的設計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，例如各種動物的毛皮。但是從社會反映過的情況來看，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格方面都非常的昂貴，并不是所有的人都可以負擔得起的。因此，設計制造一款智能型的保溫鞋來解決上述問題就顯得尤為重要。

該設計的設計目標是要解決鞋子內的保溫問題，上述利用材質的方法并不完全可行。因此本設計計劃在鞋子內設置自己可以發熱的設備，并且該設備能夠自動控溫，并且為了耐久性的實現，還需要該設備可以無限的提供熱量。針對以上所述，本設計需要解決的問題有：

（1）鞋內溫度的檢測問題。

（2）鞋子內溫度的保持問題。

（3）鞋子內電能的消耗解決問題。

1 總體設計

本設計制作的是一款智能型保溫鞋，該智能鞋需要解決鞋內溫度自動保持的問題。對于自動控制系統的實現，目前的自動控制系統的實現主要有單片機控制類以及PLC控制類。由于PLC的體積，能耗等方面的因素的制約，其多用于工業生產方面，因此本設計利用的是單片機控制的方法。本設計要實現溫度的恒定保持，就要解決溫度的測量以及熱量的產生問題。基于以上所述，本設計制作了溫度識別系統，狀態識別系統、發熱裝置，中央控制裝置系統以及發電裝置來解決上述問題。具體的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖2 系統原理圖

經過衡量對比，該款設計所用到的元器件如下：對于溫度的檢測采用的溫度傳感器的型號為DS18B20，對于壓力的檢測所用到的壓力傳感器的芯片型號為HX711。該設計所用到的單片機的型號為STC89C51。此外，本設計還用到了繼電器模塊。本設計的電路原理圖如圖2所示。

本設計要實現的是鞋內溫度的恒定保持，首先就要解決溫度識別的問題，對于此本設計利用溫度傳感器來識別鞋內的溫度，并將該信息傳遞給單片機，單片機命令發熱裝置對鞋內的溫度進行保持控制。由于在晚上鞋子并不使用，在此時間內繼續溫度的保持工作必然導致能量的大量浪費，由于穿上與不穿鞋子的鞋子底部壓力必然不相同，本設計設計了壓力傳感器來檢測底部的壓力，以此作為是否啟動保溫系統的依據。本設計利用電阻絲作為發熱裝置。此外，為了一方面為了長期保持鞋內電能的穩定供應，另一方面響應國內節能減排政策的號召，本設計在鞋子內部設置運動發電的裝置，由于該裝置需要占用一定的空間，為了提高發電效率也為了美觀，本設計將該裝置設計在鞋子的內底部，因此，本設計還具有增高的功能。

2 硬件設計

溫度傳感器：溫度傳感器使指能夠感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。目前電阻式溫度傳感器應用最為普遍，其利用的原理為金屬隨著溫度的變化，其電阻值也發生變化。該設計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勢，很適合本設計。

壓力傳感器：壓力傳感器是指能夠感受壓力，并且將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。而其中的壓阻式力傳感器是壓力傳感器中應用的非常廣泛的一種傳感器。懸臂梁是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一，懸臂梁能夠將壓力信號轉換為電壓信號，而電壓信號與單片機之間的信息交換則有賴于專用的模數轉換器件。本設計利用的轉換芯片是HX711，其是專門為電子秤設計的一種A/D轉換器芯片，無論在精度還是反應速度方面都非常具有優勢。

單片機：單片機目前在工業生產、醫用設備、軍工產業、人工智能等方面技術都得到了快速的提高，幾乎已經變的無可替代。本設計所用到的單片機的型號為STC89C51，該款單片機的體積非常小，并且功耗低，操作簡單。

繼電器：由于單片機輸出的電壓為5伏，而本設計中的電阻絲所需的電壓為12伏，顯然是不能夠利用單片機來為電阻絲提供電源的。本設計利用繼電器作為中間橋梁，使得單片機能夠控制電阻絲加熱電路的開通以及關閉。

電源模塊：本設計中的電源對于續航性有很高的要求，并且致力于將運動產生的能量轉換為電能。因此，本設計除了設置有蓄電池外，在鞋子內底部放置有多個壓電陶瓷片，壓電陶瓷片利用的原理是正壓電效應，即:某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態。并且由于單片機所用的電源為5伏，而發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轉換模塊來作為電壓的轉換媒介。

3 軟件設計

本設計要實現的功能為保持鞋內部的溫度的溫暖與恒定，而整個保溫系統的啟動首先要解決的問題是鞋內部壓力的識別問題，本設計利用的是壓力傳感器，其能夠將壓力信號轉化為電壓信號，由于電壓信號為模擬量，而單片機所能識別的信號為數字信號，因此需要對懸臂梁輸出的信號進行轉化。該設計用到的是HX711，該芯片能夠有效的將電壓信號進行轉化。而為了保持鞋內部溫度的溫暖與恒定，首先要解決的是溫度的測量問題，當然這里面的要解決的一個關鍵問題為溫度傳感器與單片機之間的通信問題，本設計所使用的溫度傳感器為DS18B20，其利用的是單總線通信方式，由于只有一根信號線，所以其優點十分突出，十分節省I/O口、節省資源，也降低了成本。在解決溫度的檢測問題之后，就需要設定一個適宜的溫度值，在鞋內溫度小于這個值時，發熱設備打開。當鞋內部溫度大于這個值時，發熱設備關閉。而這個問題在程序中就能很輕松的解決，本設計利用的程序設計語言為C語言。系統對應的流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

4 總結

本設計結合了電子技術、自動控制技術、信息轉換技術以及自動監測方面知識，完成了該款智能保溫型增高鞋的設計，使其能夠在合適的情況下自動的實現鞋子內部溫度的調節與恒定。該設計是在工業自動化方向上發展設計出來的產物，是我們國家完全實現工業自動化在個人用品方面的體現。該設計中的設計思想是當代自動控制方面的典型體現，該設計的成功在很大情況下可以應用到工業設計生產中的類似領域當中去。此外，由于現在對于節能環保方面的提倡，該設計所采用的將動能轉化為電能的這種形式也是一個非常不錯的設計，一方面減少了更換電池所引起的麻煩，另一方面節省了能源。并且經過進一步的改進，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、手電等小型的用電設備提供電能。