一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋及控制方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统和电路领域，尤其涉及一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋及控制方法。

背景技术

为了满足冬季寒冷地区对足部保暖的需求，实现智能控制足部温度，同时为了节约能源以降低冬季供暖所需的碳排放量，设计智能保暖鞋。目前所展示的自发热鞋子只包含发电装置、发热丝和感温丝，结构较为简单：鞋跟开槽将发电装置内置于鞋跟部位，感温层的作用是达到预设温度时自动断电保护，防止温度过高发生意外。使用时通过使用者走路时脚跟的上下运动使发电装置产生电能，其后电能流经发热丝发热，为使用者的足部供暖，同时消除漏电隐患。

基于上述技术进行改进的只是内置电热装置的鞋子，需要通过外接电源或配合电池组使内置装置发热达到加热目的，同时通过温控开关实现温度的“多停少补”。电源采用电池组。这种自动发热的鞋子具有结构设计合理、使用方便且效果明显等特点。

只使用外置电源的鞋子由于设计有充电接口，使用一段时间后可能存在漏电隐患；使用化学物质作为发热源的保暖鞋中，化学物质氧化反应不可逆，一定程度上会对环境造成破坏。而内置发电装置的保暖鞋，因为缺少整流稳压电路，发出电压不稳定，部分使用压片陶瓷发电的保暖鞋更是存在电压大、电流小的缺点，容易对电路元件造成破坏。此外还有一部分可以选择温度阈值的发热鞋，但是可选温度一般只有两档，不能实现自定义无极设置温度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明设计一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋及控制方法；

一方面，一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋包括：两个按压发电模块、整流稳压电路、智能温控模块、电阻丝；

其中，两个按压发电模块对称放置在鞋底脚掌处，同时两个按压发电模块连接连接整流稳压电路一侧，整流稳压电路另一侧连接智能温控模块一侧，智能温控模块另一侧连接电阻丝一侧；

所述按压发电模块由按压式交流发电机、齿轮组和齿条组成，齿条、齿轮组啮合，按压发电模块安放在鞋底空腔内，齿条的一段和鞋垫粘合，一端和齿轮组啮合；齿轮组由一大一小两个齿轮组成，齿条和大齿轮啮合，大齿轮和小齿轮啮合，小齿轮和发电机转子同轴粘合；所述按压式发电机将传统电机的励磁部分改为转子，而将电枢绕组改为定子来减少电枢绕组线圈的磨损；

所述整流稳压电路包括整流电路和稳压电路；其中整流电路是四个二极管组成的基本整流桥电路；稳压电路主体由电源稳压芯片、斩波电容和电容组成，电源稳压芯片和电容两部分之间由斩波电容链接，电路尾部为一个USB接口；整流稳压电路先把交流电整流成不平整的直流电，然后通过斩波电容和电源稳压芯片变成平整的直流电；

所述智能温控模块包括Arduino单片机、温度传感器、微型电磁继电器KIM、蓝牙芯片、过载保护电路和电池组成；所述电池一侧连接电磁继电器KIM一侧，电磁继电器KIM另一侧连接Arduino单片机一侧，Arduino单片机另一侧连接蓝牙芯片，蓝牙芯片另一侧连接过载保护电路一侧，过载保护电路另一侧连接温度传感器；

另一方面，一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋的控制方法，具体为：

当电池有电时，Arduino单片机通过温度传感器读取鞋内温度和电池电量并进行综合判断：

若电池电量充足，且温度传感器检测鞋内温度小于用户设置阈值温度，Arduino单片机输出引脚输出高电平，则电磁继电器KIM开关闭合，按压式交流发电机给电阻丝供电；若Arduino单片机检测到温度未在指定时间升到阈值温度，则会调用电池给电阻丝供电以快速升温；

所述Arduino单片机检测到温度，是通过鞋内温度传感器检测鞋内温度然后将温度信息传送给Arduino单片机；

若电池电量充足，且温度传感器检测到鞋内温度大于用户设置阈值温度，单片机输出引脚低电平，则电磁继电器KIM开关打开，此时用户运动从而使按压式交流发电机给电池充电；

Arduino单片机检测电池输入电压，当电池电压不稳定的时候，表示电池电量不足，当电池没电或不足时，无论鞋内温度高低，arduino单片机将不工作，电磁继电器KIM开关打开；此时arduino单片机通过蓝牙给用户终端发送“电池电量不足，请运动以充电”，用户通过运动对交流发电机进行按压，按压式交流发电机给电池充电，进而开启Arduino单片机；

选取按压式交流发电机，去除了用来滤波的飞轮，通过走路动作带动弧形齿条，齿条上下来回运动带动小齿轮，小齿轮和大齿轮粘合在一起，通过齿轮比将转动速度提升，带动发电机的转子转动切割磁感线时产生交变电压进而发出电流。

本发明有益技术效果：

1.本发明所选用的按压式发电机，通过自身运动将机械能转化成热能突破了以前自发热鞋子只能通过化学能或外接电源发电的单一途径，无污染、零碳排放。

2.采用自设计的整流稳压电路。融入类似“削峰填谷”的思想，使发电量和温度差距不会变化过大。按压式发电机发电盈余时给供能电池即储能电池充电，发电不足时储能电池协助供电用于发热。

3.基于Arduino单片机的智能温度控制系统创新设计了供电优化选择模式，使用时如果检测到供能电池电量不足、不足以支持芯片工作，会优先将所得电量用于电池充电，避免无法工作情况发生的同时尽可能减少了能源的浪费。

4.内置蓝牙装置，方便使用移动设备监控鞋内温度和电池状态，使用者可以通过手机随时更改鞋子的温度阈值和监看部件的工作状态，该发明在具有智能控制、零碳排放、高舒适度的属性的同时，其中自主研发的智能温控系统可以移植到如蔬菜大棚、车用供暖系统等大型设备上，发挥节能减排、智能温控的效果。

附图说明

图1本发明实施例零碳排放智能温控鞋政策面设计图；

图2本发明实施例按压式交流发电机平面设计图；

图3本发明实施例整流稳压电路设计图；

图4本发明实施例智能温控系统逻辑流程图；

图5本发明实施例智能温控鞋逻辑流程图；

图6本发明实施例智能温控鞋发热功率测试；

图7本发明实施例整流稳压后的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明；一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋及控制方法；

为了满足冬季寒冷地区对足部保暖的需求，实现智能控制足部温度，同时为了节约能源以降低冬季供暖所需的碳排放量，也是为了解决以上市场中现存的问题，研制了一款通过内置按压式发电机实现用户自定义温度的智能温控自发热保暖鞋。充分回收人体运动时所产生的微能量，并采用arduino芯片精准控制发热量，调节鞋内温度，不需要外接电源，达到提高鞋内温度的同时实现零碳排放，降低额外能源损耗和环境污染。

一方面，一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋包括：两个按压发电模块、整流稳压电路、智能温控模块、电阻丝；

零碳排放智能温控鞋使用了足底部有充足空间且保暖性较好的厚底马丁靴作为保暖鞋基本材料。并且将主要电路放置在脚跟部位和后脚掌部位鞋垫下面以减少走动产生的摩擦和弯折。两台静音小型发电机分别位于鞋跟两侧，交流发电机尺寸约为4mm×3mm×1.6mm，整体设计如图1所示；

其中，两个按压发电模块对称放置在鞋底脚掌处，同时两个按压发电模块连接连接整流稳压电路一侧，整流稳压电路另一侧连接智能温控模块一侧，智能温控模块另一侧连接电阻丝一侧；

所述按压发电模块由按压式交流发电机、齿轮组和齿条组成，齿条、齿轮组啮合，按压发电模块安放在鞋底空腔内，齿条的一段和鞋垫粘合，一端和齿轮组啮合；齿轮组由一大一小两个齿轮组成，齿条和大齿轮啮合，大齿轮和小齿轮啮合，小齿轮和发电机转子同轴粘合；这样做是为了提高转子的转速。齿条下面有一个弹簧。当齿条在人走路按压和弹簧回弹的过程中来回运动时，就间接带动了发电机转子来回转动，产生交流电。所述按压式发电机将传统电机的励磁部分改为转子，而将电枢绕组改为定子来减少电枢绕组线圈的磨损；同时使用定制的铷铁硼磁铁按压式交流发电机的设计相较于市面上常见的按压式直流电机，可以更高效地利用齿条复位过程中产生的电能。针对发电机的效率和实际功率，在性能测试中进行了模拟实际场景的调试和测试。具体设计如图2所示；

所述整流稳压电路包括整流电路和稳压电路；其中整流电路是四个二极管组成的基本整流桥电路；稳压电路主体由电源稳压芯片、斩波电容和电容组成，电源稳压芯片和电容两部分之间由斩波电容链接，电路尾部为一个USB接口；整流稳压电路先把交流电整流成不平整的直流电，然后通过斩波电容和电源稳压芯片变成平整的直流电；

为了实现电阻丝均衡、稳定的发热，设计了一种整流稳压电路将交流发电机产生的交变电流转化为平整的直流电流。电路设计图如图3所示；

整流稳压电路分为整流和稳压两部分。整流电路设计方案为四个二极管构成的整流桥，在保证AC-DC转换的同时缩小电路占用的空间。稳压电路使用低差压稳压器ASM-1117，AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管由一个PNP驱动的NPN管组成，且其内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的相对理想选择。为了确保AMS1117的稳定性，IN跟OUT都要接一个100nf(104)的滤除高频，220uF的钽电容滤除低频。

整流稳压电路的设计峰值为15V 1.5A，首先将发电机产生的交变电压整流成直流电，之后在稳压电路中，AMS1117可以将整流过后的直流不平整电压稳压至5.1V左右，这样可以保护器件，并使电阻丝均匀发热。

所述智能温控模块包括Arduino单片机、温度传感器、微型电磁继电器KIM、蓝牙芯片、过载保护电路和电池组成；所述电池一侧连接电磁继电器KIM一侧，电磁继电器KIM另一侧连接Arduino单片机一侧，Arduino单片机另一侧连接蓝牙芯片，蓝牙芯片另一侧连接过载保护电路一侧，过载保护电路另一侧连接温度传感器；

智能温控模块是零碳排放智能温控鞋的核心部分。该自研系统能够让用户自由选择自发热鞋子达到的阈值温度，并智能实时改变发电机的供电方向。硬件系统使用了小巧轻薄且功耗较低的Arduino Nano单片机作为中央处理器(单机功耗仅为0.167W)。同时使用900mAh容量的5V输出的微型电池为单片机供电。为了确保智能温控系统能够稳定运行，除了基本组件之外(如单片机及其套件、电阻丝、发电机、整流稳压电路)，还在电路中添加了用来模拟开关的微型继电器和保护电池的过载保护电路。

另一方面，一种基于Arduino单片机的零碳排放智能温控鞋的控制方法，具体为：

智能温控鞋通过放置在足跟部的按压式交流发动机拾取用户走路运动时产生的动能转化为电能，再通过发热电阻丝转化为热能供暖。市面上常见的按压式发电机为了输出直流电流，在电机转子上加入飞轮将反相的电流滤除。而本发明为了充分吸收用户走路产生的动能，选取了按压式交流发电机，这种发电机去除了用来滤波的飞轮，通过走路动作带动弧形齿条，齿条上下来回运动带动小齿轮，小齿轮和大齿轮粘合在一起，通过齿轮比将转动速度提升，带动发电机的转子转动切割磁感线时产生交变电压进而发出电流。

当电池有电时，Arduino单片机通过温度传感器读取鞋内温度和电池电量并进行综合判断：

若电池电量充足，且温度传感器检测鞋内温度小于用户设置阈值温度，Arduino单片机输出引脚输出高电平，则电磁继电器KIM开关闭合，按压式交流发电机给电阻丝供电；若Arduino单片机检测到温度未在指定时间升到阈值温度，则会调用电池给电阻丝供电以快速升温；

所述Arduino单片机检测到温度，是通过鞋内温度传感器检测鞋内温度然后将温度信息传送给Arduino单片机；

若电池电量充足，且温度传感器检测到鞋内温度大于用户设置阈值温度，单片机输出引脚低电平，则电磁继电器KIM开关打开，此时用户运动从而使按压式交流发电机给电池充电；

Arduino单片机检测电池输入电压，当电池电压不稳定的时候，表示电池电量不足，当电池没电或不足时，无论鞋内温度高低，arduino单片机将不工作，电磁继电器KIM开关打开；此时arduino单片机通过蓝牙给用户终端发送“电池电量不足，请运动以充电”，用户通过运动对交流发电机进行按压，按压式交流发电机给电池充电，进而开启Arduino单片机；

选取按压式交流发电机，去除了用来滤波的飞轮，通过走路动作带动弧形齿条，齿条上下来回运动带动小齿轮，小齿轮和大齿轮粘合在一起，通过齿轮比将转动速度提升，带动发电机的转子转动切割磁感线时产生交变电压进而发出电流。

用户通过温度传感器和蓝牙模块对单片机发送指令，而后Arduino控制芯片通过读取的系统的影响因素(即鞋内温度条件和电池电压)进而反馈性控制供电电路的电流流向。系统做出的最终选择为使用电动机给电阻丝供电或给电池供电。具体逻辑流程图和电路图如图4和图5所示。

在实验室中，对前文所述的理论设计方案和智能温控鞋的实际性能数据进行了逐一测试。

首先针对发电机和整流稳压模块功率，对日常运动生活进行模拟，让两男两女四位测试人员穿着智能温控鞋模拟生活中静坐、散步和慢跑三种运动状态，再使用万用表测量每隔固定时间间隔测量发电机的电流和电压进而计算鞋内发热功率。将多次测量取采集到脚踩发电机产生的电流、电压、功率数据，经过平均值的方法进行进一步处理并记录下来，测得实际功率如图6所示。

第二步，将整流稳压电路连接到发电机上，在模拟正常的走路频率及电机按压速率的条件下测量整流稳压电路输出的波形图。通过示波器，所得整流稳压输出波形如图7示。由波形图可得，整流稳压电路模块可以正常运行且效果显著。

第三步，将蓝牙模块、Arduino芯片以及温度传感器等器件进行连接、运行和校正。实验中不断改变环境温度，同时测量Arduino芯片输出引脚的电位值，可以发现，当环境温度低于用户设置的阈值温度时输出引脚输出高电平，温度高于阈值温度时输出低电平，与设计方案契合。接着，通过蓝牙下达命令要求继续加热，发现输出引脚同样由低电平变为高点平，说明所有模块功能正常。

第四步，测试小型继电器的工作状况和整个鞋内电路的可靠性和效率。将Arduino输出引脚所得到的高电平加到继电器线圈上，并分别对储能电池没有电、电量不足和电量充足的情况下鞋子的实际发热情况进行实验，同时监测储能电池电量情况。没电时，发电机会给储能电池充电，优先保证Arduino芯片正常工作后，便可保证其对温度的监测和控制功能。电量不足情况与此类似，不再赘述。当电量充足时，过流保护装置会阻断发电机和储能电池之间的联系，发电机发电会直接用于电阻丝发热。如果脚踩的频率过低导致发热量不足、达不到预设温度时，储能电池会用自身电量协助发热。

最后进行整体可行性测试。将发电机、单片机等所有电路元件全部安装进马丁靴对应位置打好对应的空洞中后开始上脚测试。随着走路时间的增加，可以明显感觉到温度的上升；半小时左右，停止步行，发现温度还可以继续保持40分钟左右，说明储能电池正在反向供电用于电阻丝发热。

综上所述，通过实验结果表明，各项测试结指标与实际设想拟合度较高，可以实现方案中介绍的功能。

智能发热鞋子组件可重复利用、不需要提前充电、发电用电一体化，具有较高的节能效果。而且智能发热鞋子安装了温度检测模块，只有当温度低于预设值时才会工作发热，防止鞋子停止使用时继续工作，导致电能的浪费，一定程度上实现了人体微能量的资源化利用。此外，基于Arduino的智能温控鞋可以让用户自定义需要的温度，过程中发热均匀，能量转化效率高。