电热碳纤维滑雪保温鞋的研制

谭 虹

（哈尔滨商业大学 体育学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

电热碳纤维滑雪保温鞋的研制

谭 虹

（哈尔滨商业大学 体育学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

摘 要：随着大众滑雪的普及，滑雪者对滑雪鞋的功能提出了更高的要求，为满足消费者的需求，进行了电热碳纤维滑雪保温鞋的研制。以80C51单片机作为主控制芯片，采用DS18B20温度采集和继电器控制温度加热的技术手段，结合显示电路等其他辅助电路，实现了碳纤维滑雪保温鞋温度的智能控制。设计可以满足滑雪者自行设计温度、时间的需求，具有智能安全的特点。不仅创造了商品产业多元化发展的产业链，而且还可以使装备技术的使用者和产业者与跨学科技术融合，成为社会效益与经济效益的共赢者。

关键词：碳纤维；滑雪保温鞋；研制

随着我国大众滑雪的普及，滑雪服装鞋帽、滑雪器材和用品的生产和销售量日益增加[1]，加之社会经济的发达、体育运动设备和器材的科技含量会越来越高[2-5]，如今滑雪装备产业已经成为一种高速度、高就业、高创汇、高效益的新型产业。然而我国目前滑雪装备的设计理念、流行趋势以及产品的性能很难与美国、加拿大、瑞士、法国等滑雪装备业发达的国家形成竞争。因此，加快滑雪装备的研发，提高产品的技术含量，对于提高产品市场竞争力[4]，完善滑雪产业链[5-6]，提升滑雪产业竞争力具有重要的作用。

滑雪鞋是滑雪时必须具备的滑雪器材，其舒适度和保暖性能的好坏直接影响到滑雪效果。目前市场上销售的滑雪鞋普遍存在着保暖性能差的缺点，严重影响到滑雪者的滑雪热情。因此，利用碳纤维复合材料研发一种智能型滑雪保温鞋，可以克服滑雪鞋的这个缺点。本研究设计了对温度监控要求比较高的实时监控系统，该系统温度启控点可以根据滑雪者需要而自行通过键盘设定，并能够对温度进行智能化控制，其具有一路精密温度传感器、一路智能数显单元、，两路输出[7]，具有对温度监测和调控功能。以期为滑雪运动者、教练员、研究滑雪装备技术人员给予理论研究和实践应用参考[8]，为滑雪运动的普及和发展做出贡献。

1 工作原理及结构设计

电热碳纤维滑雪保温鞋是由滑雪鞋和温控系统两部分组成，为了实施有效控制，首先要实施温度信息采集，其次是要实现对温度的实时控制。滑雪鞋的监控系统是以单片机为核心的监测与调控，可以独立地完成温室环境信息的采集、处理和显示，滑雪保温鞋的温度控制电路的架构如图1所示。它是由51单片机作为控制芯片，并基于单片机进行外围电路的扩展，包括电源、18B20、碳纤维发热片、LCD、按键和时钟等电路。在滑雪鞋的设计中温控系统是设计的关键，本系统利用 DS18B20 实时监测环境温度，并以此温度值作为反馈信号，通过单片机输出量控制固态继电器交流引脚的导通，实现滑雪保温鞋的智能工作，具有很强的使用价值。

图1 系统架构示意Figure 1 Architecture of System

2 系统的硬件与软件设计

2.1 硬件设计

电热碳纤维滑雪保温鞋的硬件电路是由80C51单片机单元、温度显示单元、键盘控制单元、温度采集单元和温度控制单元组成。

2.1.1 80C51单片机系统

电热碳纤维滑雪保温鞋选用了80C51单片机，该单片机具有MCS-51指令系统，采用CHMOS工艺，具有功耗低，性能优良等优点[9]。首先，基于单片机设计出最小系统（图2），它包括51单片机、时钟电路和复位电路。其中51单片机有40个管脚。时钟电路由2个22pf的电容和1个12M晶振构成，为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，晶振和电容应尽可能与单片机引脚XTALl 和XTAL2 靠近[10]此最小的系统采用的是上电复位电路，当系统加电之后，单片机就可以正常地工作。

图2 单片机示意Figure 2 Singlechip

2.1.2 DS18B20温度采集系统

电热碳纤维滑雪保温鞋采用集成度较高的DS18B20数字温度传感器，采用 PID 算法，来实现智能的温度控制系统。它是世界上第一片支持 “一线总线”接口的智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器[11]。它直接输出数字信号送给单片机，提高了检测的精度。它的温度测量范围是-55oC～+125oC，精度为±0.5 ℃[12]，且连线简单，只需占用单片机一个I/O口（图3）所示。DS18B20包括3个管脚，分别是DQ为数字信号输入/输出、VDD为外部电源供电，GND为地。由于可以把温控系统放置在保温鞋的指定区域，本系统采用的是外部供电的连接形式，这种可以保证转换的精度，且抗干扰强。

图3 DS18B20与单片机连接电路示意Figure 3 Circuitry of DS18B20 and Singlechip

2.1.3 温度显示电路设计

电热碳纤维滑雪保温鞋的温度显示电路采用80C51单片机与地址译码器组成控制和扫描系统，并用其串口对主电路单片机进行通信[10]。该电路由2 个4位共阳极LED数码管实现，可以显示滑雪鞋内部的温度值（图4）。

图4 温度显示电路Figure 4 Circuit of Temperature Displa

2.1.4 继电器控制电路

电热碳纤维滑雪保温鞋的智能控制是根据DS18B20实时采集到的环境温度来实现的。继电器控制电路根据DS18B20实时采集到的环境温度对电热毯实现智能控制。本系统继电器的控制电路是由80C51单片机的P1.0的高低电平来控制继电器的闭合和断开。当P1.0为高电平时，三极管截止，继电器就会断开，系统停止加热。当P1.0口为低电平时，三极管导通，发光二极管亮，控制继电器就会开始加热。该继电器加热电路如图5所示。

图5 加热控制电路Figure 5 Circuit of Heating Control

2.2 软件设计

电热碳纤维滑雪保温鞋的系统软件是基于80C51单片机的温度采集控制系统的模块化思想设计的，本系统软件分为主程序和各个模块子程序。主程序是软件设计的核心，主要是用来初始化和协调安排各子程序模块的运行关系。模块子程序主要是根据所要实现的功能来设计的[13]。该系统软件首先对DS18B20初始化、端口配置，接着DS18B20开始进行温度采集，继而完成对温度值的传输与转换。数码管实时显示数字温度计采集到的温度值，并与系统中预先设定的温度值进行比较。当温度值小于设定值时，单片机的控制端输出低电平，固态继电器交流侧导通，加热装置开始工作，继续实时地比较温度的检测值和设定值，当检测到的温度值大于设定值时，单片机控制端输出高电平，固态继电器交流侧断开，加热装置停止工作。

3 滑雪保温鞋产品测试

3.1 测试方法

滑雪保温鞋产品测试在温度相对恒定在200℃的房间里进行，接外部电源5 v，单片机供电5 v。将智能滑雪鞋控制器置于滑雪鞋跟凹槽内，然后街上5 v电源，开始调试，看到显示屏显示设定温度、实际温度和定时、余时以10 s的频率更新。然后给碳纤维电阻周围环境加热，当温度超过设定温度时滑雪鞋自动断电，当温度下降到设置温度以下时（且在设定时间内）[14]，滑雪鞋自动加热。系统自动定时为1 h，当余时为0时，滑雪保温鞋自动断电。

3.2 测试结果

系统测试结果表明各个模块运行正常，可以看到设定的时间、剩余时间、设置的温度和实时变化的温度。当通过按键设置新的定时和温度时，屏幕上数据也会及时更新，；当实际温度超过设定温度或余时时间为0时滑雪鞋会自动断电。在测试中设定了人体舒适温度为300～340℃，智能滑雪鞋温度控制始终在设定适宜的人体温度之内，而且能够实时的控制温度的升降。通过实验数据分析，碳纤维智能滑雪鞋的温度控制系统原理简单，实现方便，测量精度高。在实际应用中具有很高的使用价值。

4 结语

电热碳纤维滑雪保温鞋采用80C51单片机为控制核心，用DS18B20为温度传感器、用2个8位数码管作为显示器以及继电器加热控制，设计并实现了碳纤维滑雪鞋智能温度控制系统。该系统硬件设计和软件程序设计均满足控制设计要求，能实现正常测温、显示和温控功能，具有原理简单、运行稳定、实现方便和硬件连线简单等特点。DS18B20温度传感器具有体积小、测量温度快、测量精度高、成本低、智能化等特点。此温度控制系统具有可靠性高、成本低、能耗小和控制精度高等特点，对提高碳纤维滑雪保温鞋温度调控装置的舒适性和经济性有较大的应用价值。

参考文献：

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[13]王峰，孟立凡.基于单片机的温室条纹系统的设计与实现[J].电子世界，2011（1）：57–61.

[14]郑和，刘鹤生.基于HT66FU50单片机的智能电热毯的设计[J].价值工程，2013（23）：204–205.

中图分类号：G818.3

文献标识码：A

文章编号：1002–3488（2015）03–0092–05

收稿日期：2014–11–12；修回日期：2014–12–09

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（E201358）。

作者简介：谭虹（1972–），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，副教授，研究方向为体育教育训练学。

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