智能旋轉(zhuǎn)冰箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ①

孫 靜， 許恒銘， 楊榮業(yè)， 田樹林

(安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來(lái)家電的更新?lián)Q代日趨智能化，而冰箱的智能化進(jìn)程比較緩慢，主要原因是市場(chǎng)應(yīng)用中更注重其保鮮功能，因此對(duì)其交互式智慧操作的研究一直較少[1]。傳統(tǒng)機(jī)械式的溫控冰箱外形中規(guī)中矩且笨重，存放物品過多時(shí)容易遺忘存放時(shí)間，導(dǎo)致物品過期形成浪費(fèi)。因此本文從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款低能耗、環(huán)保型的智能冰箱，不僅外形創(chuàng)新[2]，也能讓用戶及時(shí)了解存放的物品信息，及時(shí)合理地享用新鮮食物[3]。本系統(tǒng)體現(xiàn)的智能冰箱設(shè)計(jì)思維，為未來(lái)健康智能家電的研究和應(yīng)用提供了創(chuàng)新思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能冰箱含有4個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)平臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物品的快速精準(zhǔn)存取，對(duì)冰箱存儲(chǔ)狀態(tài)及存儲(chǔ)時(shí)間等信息能實(shí)時(shí)觀測(cè)并顯示，同時(shí)將信息發(fā)送到手機(jī)端，通過APP還可以設(shè)置物品定時(shí)食用及過期時(shí)間提醒，實(shí)現(xiàn)物品的分類和有效管理[4-5]。該功能設(shè)計(jì)模塊由單片機(jī)、4個(gè)壓力傳感器模塊、1個(gè)時(shí)鐘模塊、1個(gè)藍(lán)牙模塊、5個(gè)按鍵、1個(gè)舵機(jī)和1個(gè)液晶顯示模塊構(gòu)成，各模塊之間的連接及工作原理如圖1所示。

壓力傳感器檢測(cè)平臺(tái)是否有物品存放，按鍵模塊進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)域和時(shí)間的操作，單片機(jī)收到信息和時(shí)鐘模塊數(shù)據(jù)后，分別傳遞信息給液晶顯示模塊、藍(lán)牙模塊以及舵機(jī)模塊。液晶顯示模塊顯示時(shí)間及存儲(chǔ)平臺(tái)狀態(tài)，舵機(jī)模塊按照設(shè)定要求進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備匹配后發(fā)送當(dāng)前更新的信息。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

各模塊實(shí)物如圖2到圖5所示，硬件電路整體設(shè)計(jì)如圖6所示。

時(shí)鐘電路：DS1302時(shí)鐘芯片內(nèi)部含有實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷，通過同步串行方式與單片機(jī)通信，提供年、月、日、時(shí)、分、秒的信息。復(fù)位引腳接單片機(jī)的P2.7口，接收到高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。SCLK接單片機(jī)的P2.5口，接收到高電平實(shí)現(xiàn)串行時(shí)鐘的輸入，雙向數(shù)據(jù)線接口I/O接單片機(jī)的P2.6口。

圖2 時(shí)鐘模塊

圖3 壓力傳感器

圖4 舵機(jī)模塊

液晶顯示電路：顯示器件選用LCD1602，D0～D7口連接排阻后分別連接單片機(jī)的P0.0到P0.7口，供電后P0口接收到高電平會(huì)顯示冰箱名稱及時(shí)間信息。

圖5 藍(lán)牙模塊

圖6 硬件電路圖

壓力傳感器電路：冰箱存儲(chǔ)區(qū)為圓柱形空間，豎直方向4等分，采用4個(gè)HX711高精度壓力傳感器用于檢測(cè)有無(wú)物品存放，分別代表冰箱四個(gè)存儲(chǔ)空間，可以實(shí)現(xiàn)物品的分類管理。4個(gè)壓力傳感器連接在單片機(jī)的P0口，共用同一個(gè)電源、共地；數(shù)字輸出和串口數(shù)據(jù)輸出端口DAT分別連單片機(jī)的P0.0,P0.2,P0.4和P0.6口，輸入為低電平時(shí)有效；數(shù)字輸入和串口時(shí)鐘輸入端口SCK分別連單片機(jī)的P0.1,P0.3,P0.5和P0.7口，輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)不應(yīng)少于25或多于27，否則會(huì)造成串口通訊錯(cuò)誤。

舵機(jī)模塊電路：采用360°舵機(jī)作為存儲(chǔ)平臺(tái)全方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，VCC和GND分別電源和接地，信號(hào)線SIGN為舵機(jī)的標(biāo)志位。當(dāng)連接單片機(jī)的P2.4口接收到高電平后，按照程序設(shè)定的內(nèi)容進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)。

按鍵電路：采用獨(dú)立按鍵，分別連接單片機(jī)的P1.0到P1.4口，高電平時(shí)工作。按鍵1和2分別控制物品的插入和取出，按鍵3和4控制存儲(chǔ)區(qū)間旋轉(zhuǎn)至冰箱門，選擇在冰箱的不同空間存取物品，按鍵5設(shè)置存取物品在液晶顯示屏上的顯示時(shí)間。

圖7 主程序流程圖

圖8 按鍵子程序流程圖

藍(lán)牙模塊電路：ATK-HC05藍(lán)牙模塊用于單片機(jī)和手機(jī)間的通信連接，模塊的TXD和RXD引腳分別連接單片機(jī)P3.0和P3.1口。上電以后，模塊上的LED燈為閃爍狀態(tài)，此時(shí)處于從機(jī)模式，與手機(jī)成功連接后，LED燈會(huì)變?yōu)槌Ａ痢?/p>

圖9 通電后實(shí)物圖

圖10 選擇界面

圖11 提示開冰箱門

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接通電源后，初始化液晶屏、定時(shí)器、壓力傳感器，液晶屏初始化為白屏，將顯示模塊和LCD需要的地址信息發(fā)送出去后，檢測(cè)LCD是否工作，是則讀取數(shù)據(jù)，否則寫數(shù)據(jù)顯示。此時(shí)掃描按鍵是否按下，如果是則檢測(cè)是幾號(hào)按鍵并執(zhí)行相應(yīng)操作。當(dāng)壓力傳感器感受到有物品時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，此時(shí)通電后時(shí)鐘模塊開始工作，二者將采集到的信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將得到的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送給藍(lán)牙模塊，成功激活發(fā)送信號(hào)后，藍(lán)牙接收信息并與手機(jī)藍(lán)牙匹配，手機(jī)APP上會(huì)顯示物品的信息。如果是通過手機(jī)APP發(fā)送指令給冰箱，則通過藍(lán)牙收發(fā)模塊傳遞信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號(hào)后處理后再發(fā)送命令到其他模塊。主程序和按鍵子程序流程圖如圖7和圖8所示。

圖12 提示關(guān)門

圖13 物品存放成功

圖14 手機(jī)APP界面

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以透明亞克力板制作冰箱存儲(chǔ)空間為圓柱形平臺(tái)，以舵機(jī)為旋轉(zhuǎn)中心、亞克力板隔開形成四個(gè)扇形存儲(chǔ)區(qū)域，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)貼上編號(hào)，下方安裝一個(gè)壓力傳感器用于檢測(cè)物品。按照硬件電路設(shè)計(jì)圖連接各模塊，并完成程序編寫和燒錄，同時(shí)制作手機(jī)APP顯示界面，最后完成本系統(tǒng)的實(shí)物制作。

系統(tǒng)供電后，液晶屏顯示“智能旋轉(zhuǎn)冰箱”以及時(shí)間信息，如圖9所示。執(zhí)行物品存放操作，按下按鍵1后，四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)均無(wú)物品，所以液晶屏顯示四個(gè)均無(wú)物品，如圖10所示，此時(shí)進(jìn)入選擇界面。再次按下按鍵1，提示打開冰箱門進(jìn)行存物品操作，液晶屏顯示“請(qǐng)開門！”，如圖11所示。以杯子為樣品，選取4號(hào)冰箱空間并把樣品存進(jìn)去，顯示屏上會(huì)顯示“請(qǐng)關(guān)上門！”表示物品存放成功，關(guān)閉冰箱門，如圖12所示。此時(shí)返回選擇界面，顯示屏變成“四有物品”，如圖13所示。此時(shí)智能冰箱的存儲(chǔ)信息經(jīng)過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)，APP顯示正在連接直至連接成功，對(duì)于已經(jīng)存放的物品，可以通過APP設(shè)置物品食用日期和過期日期提醒，手機(jī)界面如圖14所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以單片機(jī)為核心，結(jié)合壓力傳感器、舵機(jī)、DS1302時(shí)鐘、獨(dú)立按鍵以及LCD1602顯示屏等元件模塊，設(shè)計(jì)了一款智能旋轉(zhuǎn)冰箱，以藍(lán)牙模塊為通信元件，實(shí)現(xiàn)了物品的有效檢測(cè)和合理食用提醒，達(dá)到了健康管理的效果?；诖嗽O(shè)計(jì)還可以擴(kuò)展其他功能，如(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)多層多區(qū)域物品旋轉(zhuǎn)存??；(2)功能擴(kuò)大：冰箱內(nèi)部增加氣味傳感器，及時(shí)識(shí)別物品是否過期并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；(3)通信模式拓展：以WIFI通信替代藍(lán)牙通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理[6]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及作品獲得2017年安徽省高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽技能組二等獎(jiǎng)，隨后獲批2018年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新且應(yīng)用前景廣闊。