一種智能傘筒的設(shè)計(jì)＊

王貴晨，胡深奇，周 陽，全 騏，張靜怡

（西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710129）

1 設(shè)計(jì)背景

傘筒是一種比較典型的傘具收納裝置，常見于公寓、各大商場(chǎng)、圖書館、咖啡廳等場(chǎng)所，用于傘具的收納以及干燥，給用戶帶來便利。目前市面上常見的傘筒主要有以下問題：使用效率很低；自然瀝干需要很長(zhǎng)時(shí)間；占用空間大且不美觀；無法保證傘具存放的安全性，錯(cuò)拿、偷拿等情況經(jīng)常出現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)擬開發(fā)的智能化存取與智能管家功能依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，個(gè)性化地為客戶提供服務(wù)，通過利用二維碼、傳感器等系統(tǒng)獲取用戶使用相關(guān)信息；與互聯(lián)網(wǎng)融合，將存儲(chǔ)信息實(shí)時(shí)傳遞給用戶；利用智能處理系統(tǒng)對(duì)用戶的信息進(jìn)行監(jiān)控、處理以及管理。

2 功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的基本功能如圖1 所示。

圖1 功能流程圖

存入：傘筒顯示存儲(chǔ)未滿時(shí)，用戶選擇屏幕面板上存入選項(xiàng)，智能傘筒隨機(jī)生成一個(gè)與對(duì)應(yīng)空夾頭匹配的二維碼，用戶需保存二維碼，選擇保存完成選項(xiàng)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傘筒內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，將相應(yīng)夾頭置于開口處，用戶打開傘筒側(cè)門將傘具傘柄處置于兩夾頭之間，用戶確定傘筒夾頭，將傘具夾住后將側(cè)門關(guān)閉，完成存入工作。

干燥：側(cè)門關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傘筒內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，加熱片開始加熱，風(fēng)扇開始運(yùn)作加速傘具干燥，內(nèi)置溫度計(jì)對(duì)筒內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保筒內(nèi)環(huán)境處于所設(shè)定的恒溫狀態(tài)，加快傘具干燥。

取出：用戶選擇屏幕面板上取傘選項(xiàng)，并展示存?zhèn)銜r(shí)保存的二維碼，顯示屏?xí)鶕?jù)相關(guān)數(shù)據(jù)給出還需干燥的時(shí)間，并詢問是否現(xiàn)在取傘或繼續(xù)干燥，用戶選擇取傘，智能傘筒根據(jù)夾頭上特定的二維碼確定對(duì)應(yīng)夾頭位置，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傘筒內(nèi)筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將相應(yīng)夾頭置于開口處，用戶取出傘關(guān)閉傘筒側(cè)門，該二維碼作廢，完成取傘操作。

精確倒水：系統(tǒng)會(huì)在顯示屏上顯示出水槽內(nèi)的水位高度，達(dá)到傾倒水位線時(shí)提醒用戶倒水。

智能管家：本設(shè)計(jì)可以聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)匹配的軟件進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)等操作。

3 傘筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傘筒渲染圖如圖2 所示。傘筒結(jié)構(gòu)拆分圖如圖3 所示。

圖2 傘筒渲染圖

圖3 傘筒結(jié)構(gòu)圖

3.1 底座設(shè)計(jì)

底座整體分為兩部分，即集水儲(chǔ)水部分和加熱烘干部分。集水儲(chǔ)水部分由基座和儲(chǔ)水槽組成，其中基座上開有漏水孔，主要目的是收集由上部懸掛的雨傘滴落的雨水。加熱烘干部分由風(fēng)扇、加熱片、加熱片固定殼組成，風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)經(jīng)過加熱片之后通過固定殼上部的出風(fēng)口吹出；在固定殼上部風(fēng)口處有溫度傳感器，用于控制加熱片的開關(guān)，以免溫度過高燃燒雨傘。

3.2 外筒設(shè)計(jì)

外筒主要由柱形筒壁和底座組成，是整個(gè)智能傘筒裝置的外殼。為平穩(wěn)放置傘筒，底座的面積應(yīng)略大于筒壁，起到穩(wěn)定作用。筒壁側(cè)面上下對(duì)稱安裝有兩個(gè)門框，二者之間裝有一側(cè)門裝置，通過若干個(gè)6 mm 滾珠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)門的開、關(guān)，從而達(dá)到存取雨傘的目的。

3.3 中間支撐

中間支撐主要由支撐支座和支撐下連接組成，支撐支座以螺釘連接的方式與傘頂裝置中的傘架相連，支座下方對(duì)稱安裝有四個(gè)牛眼輪，當(dāng)傘架收到指令需要轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支撐支座也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；支撐下連接上方通過螺釘與四個(gè)牛眼輪相連，下方與內(nèi)部加熱元件殼相接，主要起到支撐作用。

3.4 內(nèi)筒設(shè)計(jì)

內(nèi)筒主要由頂部步進(jìn)電機(jī)、傘架、擋水板組成。其中傘架上用螺釘連接有若干傘夾和二維碼架，傘夾主要用于放置、固定雨傘，而二維碼架則用于放置與不同傘夾對(duì)應(yīng)的二維碼。由于傘具在放入傘筒時(shí)會(huì)有雨水存在，同時(shí)在烘干過程中也會(huì)有水滴飛濺，很容易造成雨水流入風(fēng)扇和加熱片的電源處，所以在傘頂下方安裝有擋水板，避免造成設(shè)備短路。

4 電子控制系統(tǒng)

4.1 主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)以STC89C52 高性能CMOS 8 位微控制器作為主控芯片。它具有8 K 字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核，并且做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)的51 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和可編程Flash。本系統(tǒng)需要用到其I/O 口輸入輸出模塊、PWM 波輸出模塊、總線通訊模塊、定時(shí)器模塊等。

4.2 存取系統(tǒng)

存入雨傘時(shí)，用戶獲得對(duì)應(yīng)傘夾的二維碼。當(dāng)需要取出傘筒時(shí)，用二維碼掃描模塊掃描二維碼，該模塊讀取二維碼信息后，通過串口通信輸入到STC89C52 主控芯片中，隨后主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過輸出引腳控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾頭旋轉(zhuǎn)。

4.2.1 二維碼模塊

本設(shè)計(jì)采用了Scanner v3.0 串口嵌入式二維掃描引擎條形碼識(shí)別掃碼頭器。該產(chǎn)品具有條形碼、二維碼掃描識(shí)別模塊，可以快速準(zhǔn)確地讀取紙張、屏幕、塑料等載體上的二維碼。它同時(shí)具備低功率和低發(fā)熱等特點(diǎn)，冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)都可以保持急速開機(jī)，并且設(shè)置了照明功能，在光線不充足的條件下仍然可以識(shí)別二維碼，契合智能傘筒的要求。

4.2.2 步進(jìn)電機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用的步進(jìn)電機(jī)由12 V 鋰電池供電，它的轉(zhuǎn)動(dòng)則由單片機(jī)編程控制。單片機(jī)輸出管腳電流一般小于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，因此采用ULN2003 芯片連接單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。該芯片具有高耐壓、電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。

4.3 干燥系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用閉環(huán)溫度控制方法，具體為：溫度傳感器對(duì)傘筒內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將信號(hào)傳輸?shù)街骺匦酒?，利用模糊PID 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過H 橋電路控制帕爾貼元件加熱，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

4.3.1 帕爾貼加熱模塊

加熱模塊硬件主要由帕爾貼、H 橋控制電路組成。本系統(tǒng)中引入H 橋，對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控制，具體原理為：當(dāng)H橋兩引腳正接電壓信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生正電壓差，制冷片開始加熱（或制冷）；當(dāng)H 橋兩引腳反接電壓信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體制冷片電壓反轉(zhuǎn)，原來加熱（或制冷）的一面開始制冷（加熱）。

4.3.2 溫度采集模塊

本裝置采用18B20 防水型溫度傳感器監(jiān)測(cè)傘筒內(nèi)恒溫，并通過主控芯片連接顯示屏顯示干燥過程中系統(tǒng)的溫度狀況。

4.3.3 風(fēng)機(jī)散熱模塊

本系統(tǒng)選用5 V 直流散熱風(fēng)機(jī)，其電源由12 V 鋰電池降壓變換得到。主要用于增強(qiáng)傘筒內(nèi)空氣流通，使傘筒處于恒溫狀態(tài)，內(nèi)部各傘受熱均勻，達(dá)到理想的烘干效果。

4.4 水位檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過水位傳感器將實(shí)時(shí)水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)傳遞給主控芯片，主控芯片將軟件中設(shè)定的信號(hào)與傳輸過來的電信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，主控芯片將倒水信號(hào)通過軟件編程傳送至顯示屏，提醒人們水槽已滿，需及時(shí)倒水。

5 結(jié)語

本文提出的智能傘筒的設(shè)計(jì)，相比于以往單一功能的傘筒，其功能性更強(qiáng)、應(yīng)用范圍更廣、智能化程度更高，能夠節(jié)約大量人力、物力，提高應(yīng)用效率，具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。