基于單片機(jī)的智能烘鞋器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郭開璽，張占東，石轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

(山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003)

0 引言

我國人口眾多，多數(shù)人或多或少患有腳部真菌類疾病，尤其是長期生活在天氣潮濕、經(jīng)常下雨地區(qū)的人們。腳部的皮膚類疾病大多由真菌的滋生所導(dǎo)致，鞋內(nèi)相對封閉的潮濕環(huán)境是最有利于產(chǎn)生真菌的。對于真菌類疾病的治愈過程非常繁瑣，就目前來看，最有效的方法就是保持鞋內(nèi)衛(wèi)生，始終保持鞋內(nèi)干燥，定期對鞋內(nèi)進(jìn)行殺毒滅菌，使用烘鞋器可以達(dá)到這一目的。已有的烘鞋器大部分功能較為單一，很少有將恒溫、滅菌、定時(shí)[1]等功能集為一體的智能烘鞋器，因此研究一款多功能的智能烘鞋機(jī)具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

代云龍等[2]研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的具有定時(shí)功能的快速烘鞋器控制系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)僅是對具有簡單烘鞋功能的烘鞋器進(jìn)行了功能提升；崔榮華等[3]研究設(shè)計(jì)了一種可檢測濕度的自動(dòng)斷電烘鞋器。上述這兩種烘鞋器的功能比較單一，并且均不具備殺菌功能。

鑒于已存烘鞋器控制系統(tǒng)功能不全面這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了具有定時(shí)、恒溫、滅菌功能的智能烘鞋機(jī)控制系統(tǒng)。

1 智能烘鞋機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能烘鞋機(jī)控制系統(tǒng)需要具備的功能如下：

(1)液晶顯示功能。

(2)定時(shí)功能。

(3)恒溫控制功能。

(4)按鍵控制功能。

(5)自主報(bào)警功能。

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路為：采用獨(dú)立的+5 V電源給單片機(jī)STC89C51供電，并在電源電路中加入開關(guān)用于控制單片機(jī)得失電；用四個(gè)獨(dú)立式按鍵組成按鍵模塊來對系統(tǒng)進(jìn)行控制信號(hào)輸入；通過使用DS18B20接入上拉電阻構(gòu)成測溫模塊來實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)部；用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)檢測溫度超出設(shè)定溫度時(shí)便發(fā)出警報(bào)[4]；采用繼電器驅(qū)動(dòng)模塊充當(dāng)外接負(fù)載的控制開關(guān)控制臭氧發(fā)生器和加熱片的通斷；通過液晶顯示器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。智能烘鞋機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能烘鞋機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能烘鞋器控制系統(tǒng)硬件主要包括獨(dú)立式鍵盤模塊、報(bào)警模塊、基于DS18B20溫度傳感器的溫度采集模塊、基于LCD1602顯示屏的液晶顯示模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊，其連接電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接電路

硬件系統(tǒng)的工作原理如下：首先按下電源電路中的總開關(guān)按鈕，單片機(jī)得電，之后采用按鍵模塊中的設(shè)置/停按鈕切換定時(shí)時(shí)長和設(shè)定恒溫范圍，通過加減按鍵對以上參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其設(shè)定的參數(shù)值均在顯示屏上顯示，設(shè)定完畢后按下確定鍵，此時(shí)系統(tǒng)的繼電器模塊、氣泵動(dòng)作，其繼電器外接加熱片及臭氧發(fā)生器得電開始工作，工作過程中DS18B20傳感器實(shí)時(shí)檢測熱氣流溫度，并通過顯示屏顯示，當(dāng)檢測溫度超出溫度設(shè)定上限時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器動(dòng)作，發(fā)出警報(bào)。

2.1 獨(dú)立式鍵盤模塊

采用獨(dú)立式按鍵的設(shè)計(jì)方案，即直接將按鍵與I/O口連接。每個(gè)按鍵都各自對應(yīng)一個(gè)I/O口，從而避免相互影響，按鍵的輸入均是低電平有效。按鍵的軟件設(shè)計(jì)為查詢式結(jié)構(gòu)，即一一查詢I/O口的輸入狀態(tài)，當(dāng)有一接口輸入為低電平時(shí)，則此接口所對應(yīng)的按鍵已經(jīng)按下，之后，再轉(zhuǎn)到其對應(yīng)的功能程序。

該設(shè)計(jì)電路中按鍵K1的功能為設(shè)置和停止，在開始工作前按下此鍵可以對溫度和時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)開始工作后按下此鍵可以使烘鞋機(jī)停止工作；按鍵K2和K3分別對應(yīng)“加”和“減”功能，主要調(diào)節(jié)時(shí)間的長短和溫度的范圍；按鍵K4為確定按鍵。

2.2 警報(bào)模塊

當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)溫度超出上限時(shí)，就會(huì)觸發(fā)警報(bào)，蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警[5]。本設(shè)計(jì)選擇NPN型三極管來控制蜂鳴器的得電或失電，三極管的基極需通過限流電阻與單片機(jī)引腳連接。當(dāng)所接引腳輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器和發(fā)光二極管得電，從而發(fā)出聲光警報(bào)；當(dāng)所接引腳輸出低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出警報(bào)。

電路中電阻R14和R15均為限流電阻，其中電阻R14是為了防止三極管基極電流過大導(dǎo)致三極管燒壞而接入；電阻R15是為防止發(fā)光二極管因電流過大而被損壞。

2.3 溫度采集模塊

DS18B20有3個(gè)引腳，其測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，測溫分辨率非常低，完全可以滿足測量鞋內(nèi)氣流溫度的要求；其工作電壓為3 V～5 V,分辨率設(shè)置及設(shè)置的警報(bào)溫度儲(chǔ)存在EEPROM中，掉電后仍然得以保存[6]。故選用DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)采集鞋內(nèi)溫度，其與單片機(jī)連接時(shí)需在兩者之間接上一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻R16來增大它的驅(qū)動(dòng)電流，從而確保傳感器能夠正常工作[7]。

2.4 液晶顯示模塊

依據(jù)LCD1602液晶顯示屏的工作原理，選擇100 kΩ的可調(diào)電阻VR1來調(diào)節(jié)液晶亮度?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與設(shè)定的參數(shù)均可在LCD1602液晶顯示屏上顯示。

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊采用驅(qū)動(dòng)繼電器的方式控制外接負(fù)載[8]。繼電器由NPN晶體管控制，其線圈要接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，三極管截止，線圈失電，繼電器釋放；當(dāng)輸出為高電平時(shí)，三極管飽和，線圈得電，繼電器吸合。

電路中續(xù)流二極管D1、D2實(shí)際工作是釋放繼電器線圈放電電流，因?yàn)榫€圈是一個(gè)電感元件，在電源突變時(shí)會(huì)有反電動(dòng)勢，而這個(gè)反電動(dòng)勢的峰值可達(dá)到電源電壓的10倍以上，故需加續(xù)流二極管保護(hù)三極管。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件由主程序和子程序所組成，其主控制器的子程序包括測溫程序、按鍵設(shè)置程序以及LCD1602顯示程序等。首先主程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，然后再循環(huán)調(diào)用其他子程序，通過標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)對有關(guān)事件的處理?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程

采用測溫程序可以檢測烘鞋器中氣泵吹出熱氣流的溫度，并在液晶顯示器上顯示熱氣流的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)所檢測的溫度超出預(yù)設(shè)溫度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器聲光報(bào)警系統(tǒng)。測溫程序流程如圖4所示。

圖4 測溫程序流程

4 結(jié)論

為解決烘鞋器功能不完善，使烘鞋器實(shí)現(xiàn)多功能、智能化，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能烘鞋器控制系統(tǒng)。對于所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用Proteus軟件進(jìn)行調(diào)試修改，通過焊接控制系統(tǒng)電路板進(jìn)行了實(shí)際的操作驗(yàn)證，并得到了以下結(jié)論：

(1)烘鞋器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)烘鞋器控制系統(tǒng)集恒溫設(shè)定、定時(shí)、報(bào)警以及溫度檢測多種功能于一體，功能相對完善。

(3)智能烘鞋器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便使用。

綜上所述，本智能烘鞋器控制系統(tǒng)具有功能完善、安全性好、可靠性高以及易操作的特點(diǎn)。