電熱碳纖維滑雪保溫鞋的研制

譚 虹

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

電熱碳纖維滑雪保溫鞋的研制

譚 虹

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

摘 要：隨著大眾滑雪的普及，滑雪者對(duì)滑雪鞋的功能提出了更高的要求，為滿足消費(fèi)者的需求，進(jìn)行了電熱碳纖維滑雪保溫鞋的研制。以80C51單片機(jī)作為主控制芯片，采用DS18B20溫度采集和繼電器控制溫度加熱的技術(shù)手段，結(jié)合顯示電路等其他輔助電路，實(shí)現(xiàn)了碳纖維滑雪保溫鞋溫度的智能控制。設(shè)計(jì)可以滿足滑雪者自行設(shè)計(jì)溫度、時(shí)間的需求，具有智能安全的特點(diǎn)。不僅創(chuàng)造了商品產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈，而且還可以使裝備技術(shù)的使用者和產(chǎn)業(yè)者與跨學(xué)科技術(shù)融合，成為社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的共贏者。

關(guān)鍵詞：碳纖維；滑雪保溫鞋；研制

隨著我國大眾滑雪的普及，滑雪服裝鞋帽、滑雪器材和用品的生產(chǎn)和銷售量日益增加[1]，加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)達(dá)、體育運(yùn)動(dòng)設(shè)備和器材的科技含量會(huì)越來越高[2-5]，如今滑雪裝備產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一種高速度、高就業(yè)、高創(chuàng)匯、高效益的新型產(chǎn)業(yè)。然而我國目前滑雪裝備的設(shè)計(jì)理念、流行趨勢以及產(chǎn)品的性能很難與美國、加拿大、瑞士、法國等滑雪裝備業(yè)發(fā)達(dá)的國家形成競爭。因此，加快滑雪裝備的研發(fā)，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，對(duì)于提高產(chǎn)品市場競爭力[4]，完善滑雪產(chǎn)業(yè)鏈[5-6]，提升滑雪產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要的作用。

滑雪鞋是滑雪時(shí)必須具備的滑雪器材，其舒適度和保暖性能的好壞直接影響到滑雪效果。目前市場上銷售的滑雪鞋普遍存在著保暖性能差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響到滑雪者的滑雪熱情。因此，利用碳纖維復(fù)合材料研發(fā)一種智能型滑雪保溫鞋，可以克服滑雪鞋的這個(gè)缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)了對(duì)溫度監(jiān)控要求比較高的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)溫度啟控點(diǎn)可以根據(jù)滑雪者需要而自行通過鍵盤設(shè)定，并能夠?qū)囟冗M(jìn)行智能化控制，其具有一路精密溫度傳感器、一路智能數(shù)顯單元、，兩路輸出[7]，具有對(duì)溫度監(jiān)測和調(diào)控功能。以期為滑雪運(yùn)動(dòng)者、教練員、研究滑雪裝備技術(shù)人員給予理論研究和實(shí)踐應(yīng)用參考[8]，為滑雪運(yùn)動(dòng)的普及和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋是由滑雪鞋和溫控系統(tǒng)兩部分組成，為了實(shí)施有效控制，首先要實(shí)施溫度信息采集，其次是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制。滑雪鞋的監(jiān)控系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的監(jiān)測與調(diào)控，可以獨(dú)立地完成溫室環(huán)境信息的采集、處理和顯示，滑雪保溫鞋的溫度控制電路的架構(gòu)如圖1所示。它是由51單片機(jī)作為控制芯片，并基于單片機(jī)進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展，包括電源、18B20、碳纖維發(fā)熱片、LCD、按鍵和時(shí)鐘等電路。在滑雪鞋的設(shè)計(jì)中溫控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)利用 DS18B20 實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度，并以此溫度值作為反饋信號(hào)，通過單片機(jī)輸出量控制固態(tài)繼電器交流引腳的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)滑雪保溫鞋的智能工作，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意Figure 1 Architecture of System

2 系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋的硬件電路是由80C51單片機(jī)單元、溫度顯示單元、鍵盤控制單元、溫度采集單元和溫度控制單元組成。

2.1.1 80C51單片機(jī)系統(tǒng)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋選用了80C51單片機(jī)，該單片機(jī)具有MCS-51指令系統(tǒng)，采用CHMOS工藝，具有功耗低，性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[9]。首先，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)出最小系統(tǒng)（圖2），它包括51單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。其中51單片機(jī)有40個(gè)管腳。時(shí)鐘電路由2個(gè)22pf的電容和1個(gè)12M晶振構(gòu)成，為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，晶振和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)引腳XTALl 和XTAL2 靠近[10]此最小的系統(tǒng)采用的是上電復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)加電之后，單片機(jī)就可以正常地工作。

圖2 單片機(jī)示意Figure 2 Singlechip

2.1.2 DS18B20溫度采集系統(tǒng)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋采用集成度較高的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采用 PID 算法，來實(shí)現(xiàn)智能的溫度控制系統(tǒng)。它是世界上第一片支持 “一線總線”接口的智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器[11]。它直接輸出數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，提高了檢測的精度。它的溫度測量范圍是-55oC～+125oC，精度為±0.5 ℃[12]，且連線簡單，只需占用單片機(jī)一個(gè)I/O口（圖3）所示。DS18B20包括3個(gè)管腳，分別是DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出、VDD為外部電源供電，GND為地。由于可以把溫控系統(tǒng)放置在保溫鞋的指定區(qū)域，本系統(tǒng)采用的是外部供電的連接形式，這種可以保證轉(zhuǎn)換的精度，且抗干擾強(qiáng)。

圖3 DS18B20與單片機(jī)連接電路示意Figure 3 Circuitry of DS18B20 and Singlechip

2.1.3 溫度顯示電路設(shè)計(jì)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋的溫度顯示電路采用80C51單片機(jī)與地址譯碼器組成控制和掃描系統(tǒng)，并用其串口對(duì)主電路單片機(jī)進(jìn)行通信[10]。該電路由2 個(gè)4位共陽極LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，可以顯示滑雪鞋內(nèi)部的溫度值（圖4）。

圖4 溫度顯示電路Figure 4 Circuit of Temperature Displa

2.1.4 繼電器控制電路

電熱碳纖維滑雪保溫鞋的智能控制是根據(jù)DS18B20實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)的。繼電器控制電路根據(jù)DS18B20實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境溫度對(duì)電熱毯實(shí)現(xiàn)智能控制。本系統(tǒng)繼電器的控制電路是由80C51單片機(jī)的P1.0的高低電平來控制繼電器的閉合和斷開。當(dāng)P1.0為高電平時(shí)，三極管截止，繼電器就會(huì)斷開，系統(tǒng)停止加熱。當(dāng)P1.0口為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，控制繼電器就會(huì)開始加熱。該繼電器加熱電路如圖5所示。

圖5 加熱控制電路Figure 5 Circuit of Heating Control

2.2 軟件設(shè)計(jì)

電熱碳纖維滑雪保溫鞋的系統(tǒng)軟件是基于80C51單片機(jī)的溫度采集控制系統(tǒng)的模塊化思想設(shè)計(jì)的，本系統(tǒng)軟件分為主程序和各個(gè)模塊子程序。主程序是軟件設(shè)計(jì)的核心，主要是用來初始化和協(xié)調(diào)安排各子程序模塊的運(yùn)行關(guān)系。模塊子程序主要是根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)的[13]。該系統(tǒng)軟件首先對(duì)DS18B20初始化、端口配置，接著DS18B20開始進(jìn)行溫度采集，繼而完成對(duì)溫度值的傳輸與轉(zhuǎn)換。數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示數(shù)字溫度計(jì)采集到的溫度值，并與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較。當(dāng)溫度值小于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)的控制端輸出低電平，固態(tài)繼電器交流側(cè)導(dǎo)通，加熱裝置開始工作，繼續(xù)實(shí)時(shí)地比較溫度的檢測值和設(shè)定值，當(dāng)檢測到的溫度值大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制端輸出高電平，固態(tài)繼電器交流側(cè)斷開，加熱裝置停止工作。

3 滑雪保溫鞋產(chǎn)品測試

3.1 測試方法

滑雪保溫鞋產(chǎn)品測試在溫度相對(duì)恒定在200℃的房間里進(jìn)行，接外部電源5 v，單片機(jī)供電5 v。將智能滑雪鞋控制器置于滑雪鞋跟凹槽內(nèi)，然后街上5 v電源，開始調(diào)試，看到顯示屏顯示設(shè)定溫度、實(shí)際溫度和定時(shí)、余時(shí)以10 s的頻率更新。然后給碳纖維電阻周圍環(huán)境加熱，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)滑雪鞋自動(dòng)斷電，當(dāng)溫度下降到設(shè)置溫度以下時(shí)（且在設(shè)定時(shí)間內(nèi)）[14]，滑雪鞋自動(dòng)加熱。系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)為1 h，當(dāng)余時(shí)為0時(shí)，滑雪保溫鞋自動(dòng)斷電。

3.2 測試結(jié)果

系統(tǒng)測試結(jié)果表明各個(gè)模塊運(yùn)行正常，可以看到設(shè)定的時(shí)間、剩余時(shí)間、設(shè)置的溫度和實(shí)時(shí)變化的溫度。當(dāng)通過按鍵設(shè)置新的定時(shí)和溫度時(shí)，屏幕上數(shù)據(jù)也會(huì)及時(shí)更新，；當(dāng)實(shí)際溫度超過設(shè)定溫度或余時(shí)時(shí)間為0時(shí)滑雪鞋會(huì)自動(dòng)斷電。在測試中設(shè)定了人體舒適溫度為300～340℃，智能滑雪鞋溫度控制始終在設(shè)定適宜的人體溫度之內(nèi)，而且能夠?qū)崟r(shí)的控制溫度的升降。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，碳纖維智能滑雪鞋的溫度控制系統(tǒng)原理簡單，實(shí)現(xiàn)方便，測量精度高。在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的使用價(jià)值。

4 結(jié)語

電熱碳纖維滑雪保溫鞋采用80C51單片機(jī)為控制核心，用DS18B20為溫度傳感器、用2個(gè)8位數(shù)碼管作為顯示器以及繼電器加熱控制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了碳纖維滑雪鞋智能溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)均滿足控制設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)正常測溫、顯示和溫控功能，具有原理簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)方便和硬件連線簡單等特點(diǎn)。DS18B20溫度傳感器具有體積小、測量溫度快、測量精度高、成本低、智能化等特點(diǎn)。此溫度控制系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、能耗小和控制精度高等特點(diǎn)，對(duì)提高碳纖維滑雪保溫鞋溫度調(diào)控裝置的舒適性和經(jīng)濟(jì)性有較大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]才立偉，李德.我國滑雪裝備產(chǎn)業(yè)品牌的效應(yīng)分析[J].冰雪運(yùn)動(dòng)，2003（5）：86–88.

[2]李興漢，張霽虹，柳洪濤.室外冰場環(huán)保清雪車的研制[J].冰雪運(yùn)動(dòng)，2013，35（5）：91–96.

[3]劉鋒.短道速滑冰刀槽刃數(shù)控自動(dòng)磨刀機(jī)的設(shè)計(jì)方案[J]. 冰雪運(yùn)動(dòng)，2014，36（6）：93–96.

[4]鞠明海.黑龍江省冰雪體育產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)研究[J].冰雪運(yùn)動(dòng)，2013，35（6）：71–74.

[5]張守信.基于低碳理念的黑龍江冰雪旅游發(fā)展探析[J].體育世界，2014（2）：8–10.

[6]張守信.滑雪旅游目的地競爭力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].冰雪運(yùn)動(dòng)，2014，36（6）：56–63.

[7]趙躍齊，馬瑞卿，梁貴毅，等.基于單片機(jī)C8051F的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17(3)：490–492.

[8]張洋，徐京生，楊春懷.速度輪滑裝備技術(shù)與輪滑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展[J].冰雪運(yùn)動(dòng)，2010，32（3）：44–47.

[9]李茸，段哲民，林姍姍，等.一種智能型電熱毯溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(16)：5–7.

[10]譚虹.智能型滑雪保溫鞋溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].體育世界，2014（11）：57–61.

[11]余瑾，姚燕.基于DS18B20測溫的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（3）：105–107.

[12]李新剛.智能電加熱溫控系統(tǒng)地研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[13]王峰，孟立凡.基于單片機(jī)的溫室條紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2011（1）：57–61.

[14]鄭和，劉鶴生.基于HT66FU50單片機(jī)的智能電熱毯的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2013（23）：204–205.

中圖分類號(hào)：G818.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002–3488（2015）03–0092–05

收稿日期：2014–11–12；修回日期：2014–12–09

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E201358）。

作者簡介：譚虹（1972–），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，副教授，研究方向?yàn)轶w育教育訓(xùn)練學(xué)。

Research on the Insulation Ski Boots with Electric Heating Carbon Fiber

TAN Hong

（Physical Education Department of Harbin Medical University， Harbin 150086 China）

Abstract：With the popularity of mass skiing， the higher requirements for ski boots has been put forward by Skiers. In order to meet the higher need of consumers， the research group has a study on the insulation ski boots with electric heating carbon fiber. With 80C51 as the main control chip，using the technical means of DS18B20 temperature acquisition and relay control heating temperature，combined with the display circuit and other auxiliary circuit， to achieve the intelligent control of temperature at carbon fiber insulation ski boots. The design could meet that designed temperature by skiers and the demand of time， has the characteristics of intelligent security. Not only create a industrial chain of diversified development in commerce field， but also make a combination of the user and producer of equipment technology and interdiscipline technology， becoming the win-win mode of social benefit and economic benefit.

Key words：carbon fiber；insulationski boots；research