基于智能感知的溫控鞋設計與實現*

胡平 趙金龍 孫曉莉 張寶琪

(西安思源學院電子信息工程學院,陜西西安 710038)

隨著全球變暖,各地溫度持續上升, 特別是一到夏季時,天氣格外的炎熱,比如外賣小哥、交警、環衛工人、快遞小哥等,還有一些喜歡旅行的人們,炎熱的環境成為出行和工作中很大的困擾[1]。雖然現在有各種各樣的解暑方法和各式各樣的解暑工具可以讓人們使用,但是我們也可以通過降低腳部的溫、濕度起到解暑的作用,讓室外工作者和長期在戶外徒步行走的人們感到舒適[2]。

當腳部溫濕度升高時,腳部溫濕度的動態平衡受到破壞,因為散熱不到位而導致腳部溫度過高、血管膨脹、心率加快。當溫度過低時導致血液循環不流暢,血管收縮,心率減慢,高溫下,經腎臟排出的水鹽量大大減少,使尿液濃縮,腎臟負擔加重。由于人體的正常溫度是36℃～37℃,在這一環境溫度中人體的生理功能、生活節奏等新陳代謝水平均處于最佳狀態,而在這一狀態下腳部的溫度范圍是22.4℃～22.8℃[3]。所以,設計一款溫控鞋可以降低腳部溫、濕度,以此提高我們的生活質量是很有必要的[4]。

圖1 智能控溫鞋溫濕度檢測平臺安裝示意Fig.1 Installation diagram of the temperature and humidity detection platform for intelligent temperature control shoes

1 智能控溫鞋溫濕度檢測平臺安裝設計

智能控溫鞋溫濕度安裝框架如下所示:(1)聲光報警器;(2)負載;(3)單片機系統;(4)LCD1602液晶顯示;(5)DHT11溫濕度傳感器;(6)AT24C02存儲模塊;(7)藍牙通信模塊。如圖1智能溫控鞋溫濕度檢測平臺安裝示意所示。

2 設計思想

硬件電路整體上采用DHT11溫濕度傳感器,51單片機系統,顯示模塊,聲光報警模塊,存儲模塊,負載電路,用51單片機作為主控制模塊,控制溫濕度傳感器信號采集,實現液晶屏的動態顯示,和聲光報警器的實時通信,主要顯示什么和什么時候報警用程序可以實現,DHT11傳感器主要用來采集溫濕度信息[5],是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器,它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性,與單片機可以組合使用[6];LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊[7],它是由字符型液晶顯示屏,控制驅動主電路HD44780及其擴展驅動電路HD44100,以及少量電阻,電容元件和結構件等裝配在PCB班上而組成[8]。主要的步驟為:參照原理圖將傳感器、51單片機、聲光報警、顯示器、負載連接起來,通過溫濕度傳感器將采集到的信息傳送給單片機、單片機再將采集到的信息加工處理后傳輸給顯示器上。當鞋底溫濕度升高到設定的上限時,聲光報警器報警,啟動散熱器模塊,當腳底溫濕度低于設定的下限時,報警器報警,啟動加熱器,整個系統實現對腳底溫濕度越上限或低于下限時報警和控制。

圖2 溫濕度系統反饋Fig.2 Temperature and humidity system feedback

3 總體溫控鞋系統反饋圖

按照功能實現的整體要求,在這個功能的前提上,保證降低材料成本的情況下,整體的設計方案以上述思想為主,該電路內部由單片機系統、電源電路、時鐘電路、復位電路、按鍵電路,外部模塊由溫濕度檢測模塊、顯示器模塊、手機終端通信模塊、蜂鳴器模塊、加熱器和散熱器組成,在方案設計中,遵循簡潔至上的原則,所以所有的外圍電路采用串行方式與微處理器模塊接口,該設計以STC89C51單片機為控制核心,實現溫濕度采集,報警,顯示以及控制的基本功能,在設計系統時,為了更好地采用模塊化設計方法,分布的設計各個單元功能模塊,系統的硬件部分可以分成溫濕度傳感器的使用,51單片機的控制,LCD1602液晶顯示,聲光報警,控制負載和藍牙通信六大部分,初步確定系統的方案如圖2溫濕度系統反饋所示。

4 智能溫控鞋監測平臺程序圖設計

圖3 溫濕度監測系統Fig.3 Temperature and humidity monitoring system

智能溫控鞋平臺程序分析:該溫控鞋運行的第一步是啟動按鍵按下時,溫濕度傳感器將采集到的信息傳送給主控制電路,之后將信息傳送給寫好程序的51單片機系統里,通過51單片機準確的處理,分析數據判斷腳部的溫濕度是否高于或低于設定值,若超過設定上限值時,溫濕度聲光報警器會報警,指示燈閃爍,系統會通過聲光報警器啟動散熱器模塊,當溫度和濕度降下來一定值后,又反饋到檢測模塊,第二種,當溫度低于設定下限值時,溫濕度聲光報警器報警,指示燈閃爍,系統會根據聲光報警器啟動加熱模塊。當溫度和濕度升高到一定值后,又反饋到檢測模塊,這樣依次循環從而判斷鞋里溫度和濕度的各種變化(如圖3溫濕度監測系統與圖4按鍵設置流程所示)。

按鍵設置流程:首先按下按下按鍵時系統進入設置模式,其次被設置被設置數閃爍,通過K3進行控制,如果按下,則被設置數為50,否則判斷K4是否按下;在被設置數為50時,被設置數加1并返回K4,不是的情況下,被設置數為0,則立刻返回K4;如果K4未按下,則立刻返回主程序,否則被設置數是否為0,若為0,被設置數減1且返回主程序,若不為0,被設置數為50時,則返回主程序。整體設置功能也可以通過手機APP實現,如圖4按鍵設置流程所示。

5 結語

該平臺對外部信號的采集,我們選用生活中較為常見的DHT11溫濕度傳感器,它不僅靈敏度高,并且壽命長、成本低;同時,由于它的體積小,所以比較節省空間且易于安裝。除此之外,之所以使用51單片機,是因為它從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統,它的處理對象不是字或字節而是位,它不光能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理,還能進行位的邏輯運算,其功能也十分完備,使用起來也得心應手。另外輸出端采用性能十分好的聲光報警器,LCD1602液晶顯示,負載。對輸出端的信息來講,在準確性和及時性上具有很大的保障。對于整個系統而言,它不僅可以對溫度進行報警,還可以對鞋里的溫濕度進行控制。

圖4 按鍵設置流程Fig.4 Button setting process