基于 51 单片机的发热保暖战靴

甘贤备 路仕扬 郑泽杰

武警警官学院 四川省成都市 610200

摘要：执勤工作是武警部队的六大任务之一，在严寒地区，执勤哨兵脚部得不到有效保暖，严重影响了执勤工作。

为了解决问题，设计了一款基于51单片机的发热保暖战靴，是以STC15W204S为核心，采用了电池充放模块、发热模块、驱动模块以及单片机的PWM模块。利用温度传感器测量发热模块温度，及时反馈给单片机，单片机根据反馈信息下达相应的指令，温度在设定值（三十度）以下，继续检测，发热膜以正常功率工作，直到达到设定值为止，温度在设定值和期望值（四十度）之间，单片机发出指令，发热膜以最大功率工作，温度达到期望值，单片机发出指令，发热膜以最小功率工作。

经过测试，基于51单片机的发热保暖战靴能实现两个小时左右的持续发热，让战靴内部空间持续保持一个舒适的温度，有效解决了哨兵脚部得不到有效保暖的问题。

关键词： PWM模块；发热；保暖；STC15W204S

1.国内外研究现状及研究意义

在国内，07式战靴是第一款普遍配发的军用战靴，它是在03战靴的基础上改进而来，基本设计与03式战靴大体一致，主要是改进采用正面全粒优质黄牛皮，靴筒使用优质阻燃帆布，脚踝处加有阻燃加强筋。07式作战靴的钉气眼由2段眸子缝合，放沙舌也略大于03式。

07式作战靴运用了高耐磨橡胶大底，采用了二次压膜成型的双密度鞋底，分为两层，下层靴底的密度比较高，耐磨性好，上层靴底的密度比较低，减轻了重量，穿着的舒适度也更好。鞋底也有高级凯夫拉复合材料穿刺层。

虽然部队的战靴在不断地更新换代，但一直没有出现发热保暖战靴，只在少数边防和特种部队配备有防寒服等高科技保暖装备。

新一代防寒服的实验地点在西北可可托海边防，士兵穿上之后将开关打开就可以供暖，衣服还有鞋子都具有这个功能，有了它的存在穿衣服的厚度得到减轻，行动能力随之得到增加，作战效率也能提高。如果内部的电池没有电了充电即可，或者更换电池也是可以的，十分的方便，即便是进行巡逻任务，也不需要担心。这款黑科技服，采用主动加热式的原理，取缔了原来使用热阻式， 通过增大材料的热阻用于减少人体散热从而达到防寒的目的，让身体时刻保持一个恒温的状态，这样身体温度也会慢慢上升。众所周知，保护好脚部就等于解决百分之四十的问题，因此该防寒黑科技服也是比较具有针对性的，鞋子经过特殊设计，紧接着防寒服是用于给整个身体供暖，综合在一起就会产生生化学反应，士兵也就不会再感觉到寒冷。如果是在实战过程中，实施潜伏任务时，也能有效保证生命安全。只不过像这样的一套装备，起步在20万以上，全面配置的速度比较缓慢，因为成本实在是过高。现在基本都是边防部队还有特种部队优先配备，未来应该会慢慢普及到其他单位，届时士兵可以做到在保证活动自由的前提下作战，打起仗来会轻松不少，威慑力也会随之变大。随着科技的发展，部队的装备也在不断地更新，为了便于执勤，各级领导对装备的发展与创新十分重视，所以装备的更新是必然的趋势，为了圆满完成执勤任务，基于51单片机的发热保暖战靴的发展是大势所趋。在网上并没有查阅到国外对于保暖发热战靴的相关资料。

通过查阅资料，并没有发现国外研发出了发热保暖战靴相关的成品，只是存在一些想法，其中一个是在行走时，由踩踏发电机把行走踩踏的能量转化为电能，在原地休息时，通过控制主板依靠内部电池储存的能量供给电发热元件发热保温，但是关于上述功能的实现，国外还没有解决方法，也就没有设计出具有此功能的发热保暖战靴。

本设计是一种将单片机与基层哨兵的实际需要相结合的创新运用，从部队实际出发，解决了基层哨兵站哨时脚部得不到有效保暖的问题，也解决了冻疮带来的危害。

2.主要功能描述

基于51单片机的发热保暖战靴运转单片机的PWM模块，实现在两个小时内战靴内部空间一直保持一个舒适的温度，使哨兵的脚部得到充分保暖，解决了冻疮带来的危害，便于哨兵能够正常完成哨位的各项任务。

该系统以STC15W204S单片机为基础，在电池充放模块、发热模块、驱动模块，温度传感器以及电源电路的合作下，实现了设计的正常运转。其系统总体框图如图1所示：

图1 系统总体框图

电源电路主要是用于给设计提供能量，充放模块主要是加强设计的实用性，达到多次使用的目的，发热模块则用于发热的功能，驱动模块主要是用于将电源电路中的能量驱动达到发热膜发热的目的，温度传感器用于检测发热膜温度，单片机则是用于处理信息和运算各种数据，控制PWM模块。

3.程序设计

给单片机上电后，单片机开始正常运行，运行程序从main()函数开始。首先要进入的是初始化程序，其中包括了各个端口的初始化（防止上电时端口连个模块数据的初始化。

图2主函数流程图

初始化完毕后就进入到主循环体，主循环体内主要进行的内容是不断的进行温度检测。当发热片开始工作时，进行温度检测，如果温度不达标，会反馈到单片机模块，返回重新检测，直到达到设定值为止，达到了设定值之后，单片机的PWM模块开始发挥作用，发热膜以最大功率工作，然后进行第二次检测，看是否达到温度期望值三度以内，没有达到就返回重新检测，达到后，单片机发出信号，发热膜功率逐渐减小，且温度越接近期望值，功率越低，最后达到一个发热与散热平衡的状态，直到电池的电量耗尽，设计停止工作，系统总体主程序设计如图2所示。

3.1温度传感器程序设计

DS18B20是在一根I/O线上进行读写数据的操作，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20通过严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性以及完整性。该协议对几种信号的时序进行了定义：初始化时序、写时序、读时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。每一次命令的下达和数据的传输都是主机启动写时序，如果要求单总线器件进行回送数据的操作，在进行写命令后，主机需要启动读时序来完成数据接收。数据和命令的传输都遵守低位在先的原则。

4.结束语

通过哨兵对设计的实际应用后发现，系统的保暖效果非常好，保暖的时间也达到了设计的预期，实用性较强，通过进一步改进和创新，相信在不久的将来，可以大范围推广。

参考文献

[1] 何首贤. 电子技术基础[M]. 北京: 中国农业出版, 2011.1

[2] 张毅刚, 彭喜元著. 新编MCS-51单片机应用设计[M]. 哈尔滨工业大学出版社. 2013.

[3] 贺敬凯, 刘德新, 管明祥著. 单片机系统设计、仿真与应用[M]. 西安电子科技大学出版社. 2011.

[4] 王连英著. 单片机原理及应用[M]. 北京: 化学工业出版社. 2011.

[5] 杨磊, 王波著. 电子信息类专业毕业设计指导与实例[M]. 中国水利水电出版社.2016 [20]