智能鞋柜控制板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

隨著智能時(shí)代的到來(lái)，智能家居成為各界人士爭(zhēng)相討論、深度研究的重要話題和主要方向，而智能家居中對(duì)鞋柜的智能處理方案少之又少，市面上現(xiàn)有的電子智能鞋柜存在功能比較單一、對(duì)鞋的殺菌除臭強(qiáng)度不夠等缺點(diǎn)。因此，文中對(duì)鞋柜的功能種類(lèi)、加熱除濕、殺菌除臭等方面進(jìn)行了完善與加強(qiáng)。

以STM32F103RBT6單片機(jī)作為核心控制處理器，通過(guò)外設(shè)傳感器進(jìn)行外部數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

本設(shè)計(jì)一方面通過(guò)控制外設(shè)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，另一方面，采用220V轉(zhuǎn)12V的開(kāi)關(guān)電源或太陽(yáng)能電池板相互切換這2種模式，即可以通過(guò)220V直接供電，也可以放在陽(yáng)臺(tái)等光照強(qiáng)度高、光照面積大的地點(diǎn)進(jìn)行充電，既安全可靠，又能起到節(jié)能環(huán)保的作用。

一、智能鞋柜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

采用太陽(yáng)能電池板或220V開(kāi)關(guān)電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，鞋柜整體由木板組成，利用SolidWorks進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并通過(guò)雕刻機(jī)進(jìn)行加工處理，鞋柜下方設(shè)有4個(gè)自鎖萬(wàn)向輪，方便移動(dòng)；通過(guò)使用臭氧發(fā)生器、負(fù)離子發(fā)生器、溫濕度傳感器、PTC加熱陶瓷片、煙霧報(bào)警器等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選用STM32F103RBT6單片機(jī)為核心控制處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，采用TFT液晶屏進(jìn)行參數(shù)顯示，通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，在移動(dòng)端顯示測(cè)試的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期成果。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

二、智能消毒鞋柜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由光耦隔離電路、加熱除濕、殺毒消菌、顯示屏幕等外接電路組成，電源部分采用開(kāi)關(guān)電源或太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電，利用藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

智能節(jié)能鞋柜系統(tǒng)采用STM32F103RBT6作為總控制器,選擇此種單片機(jī)型號(hào)有3點(diǎn)原因：（1）其強(qiáng)大的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于51系列單片機(jī)、MSP430系列單片機(jī)；（2）GPIO口相對(duì)較多，充分滿足我們外設(shè)傳感器需要眾多引腳的要求；（3）在程序編寫(xiě)過(guò)程中，整體的程序框架更清晰、更加地模塊化。

2.2電源及光耦隔離電路設(shè)計(jì)

（1）太陽(yáng)能電池板及開(kāi)關(guān)電源的選擇：太陽(yáng)能電池板采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的12V家用單晶太陽(yáng)能電池板，單晶硅太陽(yáng)能電池是目前所有種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的。開(kāi)關(guān)電源采用輸入電壓為115~223V，輸入電流為0.45~0.8A，輸出電壓為-12~+12V，輸出電流均為3A的成品模塊。降壓電路以LM2940芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，該電路可以把12V電壓降為5V。

（2）光耦隔離電路設(shè)計(jì)：光耦隔離電路對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，本設(shè)計(jì)中的光耦電路采用的芯片型號(hào)為HCPL-2630，該芯片可以實(shí)現(xiàn)雙路信號(hào)的隔離。

2.3溫濕度檢測(cè)及氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)

溫度檢測(cè)選用DS18B20傳感器，該傳感器具有成本低、功耗小的優(yōu)點(diǎn)。濕度檢測(cè)選用DHT11傳感器，該傳感器測(cè)量準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單易上手，價(jià)格低廉。氣體濃度檢測(cè)選用MQ135傳感器，該傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)鞋柜內(nèi)部氣體濃度。

2.4加熱除濕系統(tǒng)

加熱部分采用高效節(jié)能的PTC加熱陶瓷與散熱風(fēng)扇對(duì)鞋柜內(nèi)部進(jìn)行加熱除濕，PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。通氣風(fēng)扇采用5V低功率機(jī)箱散熱風(fēng)扇，既能節(jié)約能量又能起到通風(fēng)換氣的效果。

2.5殺菌除臭除塵系統(tǒng)

通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧，對(duì)鞋中臭味所含的氨、甲硫醇等氣體成分進(jìn)行氧化分解，從而達(dá)到除臭的目的。通過(guò)負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)離子對(duì)擦鞋后飄在空氣中的細(xì)菌和灰塵等進(jìn)行沉降，達(dá)到除塵除灰的目的。

2.6顯示系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所使用的顯示模塊是2.7寸TFT液晶屏，該屏可以高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息。

2.7無(wú)線傳輸系統(tǒng)

使用HC-05藍(lán)牙模塊與移動(dòng)端進(jìn)行通信，移動(dòng)端通過(guò)串口助手控制鞋柜，該型號(hào)藍(lán)牙具有速度快，配對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

三、智能消毒鞋柜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言作為代碼語(yǔ)言，利用keil5平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。程序基于STM32F103RBT6進(jìn)行編寫(xiě)，該型號(hào)單片機(jī)引腳眾多且內(nèi)部資源豐富，模塊化編程通俗易懂。整體方案是單片機(jī)初始化整個(gè)系統(tǒng)，溫濕度傳感器率先工作，當(dāng)柜內(nèi)濕度過(guò)高則觸發(fā)加熱除濕系統(tǒng)，由DS18B20感知溫度控制加熱系統(tǒng)的停止；當(dāng)MQ135檢測(cè)到柜內(nèi)氣體濃度過(guò)高時(shí)，則觸發(fā)臭氧發(fā)生器模塊進(jìn)行除臭，之后則進(jìn)行擦鞋系統(tǒng)的處理，負(fù)離子發(fā)生器會(huì)對(duì)空氣中的細(xì)菌和灰塵等進(jìn)行沉降；檢測(cè)氣體異味濃度，判斷鞋子當(dāng)前的潔凈度，并將信息反饋給單片機(jī)從而觸發(fā)排風(fēng)擦鞋模塊，開(kāi)始清潔鞋子。

3.1加熱除濕程序設(shè)計(jì)

在加熱除濕的程序設(shè)計(jì)上，首先單片機(jī)進(jìn)行初始化，DHT11進(jìn)行柜內(nèi)溫度采集，當(dāng)數(shù)值超過(guò)了預(yù)定閾值，則觸發(fā)PTC加熱系統(tǒng)，加熱后的溫度數(shù)值由DS18B20監(jiān)控，當(dāng)溫度數(shù)值大于預(yù)定閾值，則停止PTC陶瓷片加熱，除濕完畢后觸發(fā)排風(fēng)擦鞋模塊，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳到移動(dòng)端，移動(dòng)端用戶(hù)也可以通過(guò)串口助手對(duì)鞋柜進(jìn)行控制。

3.2殺菌除臭除塵程序設(shè)計(jì)

在殺菌除臭除塵的程序設(shè)計(jì)上，單片機(jī)進(jìn)行初始化，MQ135進(jìn)行柜內(nèi)氣體濃度檢測(cè)，當(dāng)氣體濃度大于預(yù)定閾值，則觸發(fā)臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生臭氧對(duì)氣體中有關(guān)成分進(jìn)行氧化。當(dāng)氧化、擦鞋清潔后空中存在細(xì)菌和灰塵，通過(guò)負(fù)離子發(fā)生器進(jìn)行沉降，再經(jīng)由通風(fēng)管道排出。

四、消毒鞋柜的系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，溫濕度傳感器采回?cái)?shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)濕度超過(guò)預(yù)定閾值，PTC陶瓷則開(kāi)始加熱除濕，溫度大于閾值便停止加熱，防止過(guò)熱造成系統(tǒng)損壞，加熱結(jié)束后，MQ135開(kāi)始檢測(cè)氣體濃度，當(dāng)柜內(nèi)氣體濃度大于閾值，臭氧發(fā)生器開(kāi)始工作，同時(shí)，負(fù)離子發(fā)生器進(jìn)行沉降除塵。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，各個(gè)外設(shè)傳感器均可正常工作（ON-工作，OFF-停止），據(jù)觀察與相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，相比于普通的電子消毒鞋柜，該系統(tǒng)加大對(duì)加熱除濕、殺菌消毒方面的強(qiáng)度，并且，太陽(yáng)能供電起到節(jié)能環(huán)保的作用。在調(diào)試過(guò)程中，針對(duì)DS18B20讀取頻繁導(dǎo)致不精準(zhǔn)，致使加熱系統(tǒng)一直工作這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)增加了1套算法，即設(shè)定1個(gè)目標(biāo)值，溫度達(dá)不到則會(huì)一直上漲，一旦達(dá)到或超過(guò)閾值，立刻通過(guò)繼電器停止加熱系統(tǒng)工作，之后進(jìn)行殺菌除臭系統(tǒng)的同時(shí)，再次打開(kāi)繼電器，這樣就解決了由于DS18B20偶爾的非正常工作導(dǎo)致系統(tǒng)異常的問(wèn)題。據(jù)整體調(diào)試及數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)傳感器均在可控制范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反饋控制，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。

總結(jié)

基于閉環(huán)反饋控制理論設(shè)計(jì)的節(jié)能鞋柜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度反饋、加熱除濕、殺菌除臭以及排風(fēng)打掃清潔功能，有效提升了家居鞋柜的智能性、實(shí)用性、節(jié)能環(huán)保性和低成本性，同時(shí)，該系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，具有容易控制的特點(diǎn)，在智能節(jié)能鞋柜乃至家居領(lǐng)域具有一定應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新意義。

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