基于溫度傳感器的智能鞋柜設(shè)計(jì)

王春燕，段宜亮，李雪松，韓祥森

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著現(xiàn)代人們生活水平和生活質(zhì)量日益提升，人們對(duì)智能家具的需要量愈來(lái)愈大，所要求的生活品質(zhì)也愈來(lái)愈高，因此更多的人開始向往著高質(zhì)量、高水平的家居生活，我們所設(shè)計(jì)的智能鞋柜是在原來(lái)傳統(tǒng)鞋柜的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)，智能等先進(jìn)技術(shù)加以更新，增加了原有鞋柜發(fā)現(xiàn)的功能，從而大大滿足了現(xiàn)代人類對(duì)高品質(zhì)家居生活的要求。鞋柜能夠根據(jù)不同季節(jié)智能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行殺菌、防潮祛濕、排風(fēng)等?？梢赃M(jìn)行時(shí)鐘顯示、環(huán)境溫度測(cè)試、清新空氣等。在日常生活中真菌對(duì)人體的傷害很大，會(huì)損傷人體皮膚系統(tǒng)，如發(fā)生腳氣等。真菌一般生長(zhǎng)在免疫力低下、潮濕、溫暖的環(huán)境中，本鞋柜通過臭氧消毒技術(shù)，可去除異味真菌?？梢愿鶕?jù)不同季節(jié)穿的鞋子，按季節(jié)放置于春夏秋冬四個(gè)鞋盒里面，根據(jù)時(shí)間的變化自動(dòng)旋轉(zhuǎn)鞋盒的角度。還可以通過語(yǔ)音提示模塊示意人們當(dāng)天的日期、氣溫，方便出行。同時(shí)這款智能鞋柜減少了人們對(duì)鞋子安全和衛(wèi)生的憂慮，能使鞋子在鞋柜中時(shí)刻保持衛(wèi)生，從而減少腳氣等疾病的產(chǎn)生，使人們的生活質(zhì)量得到大大提高。隨著時(shí)代的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)鞋的衛(wèi)生和腳的護(hù)理越來(lái)越重視。因此，一個(gè)巨大的收納鞋子和護(hù)理鞋子的市場(chǎng)就形成了。

根據(jù)傳感器銷售市場(chǎng)的調(diào)查研究，溫度傳感器在所有傳感器中所占最大份額，被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等重要應(yīng)用中。因此，一個(gè)能夠一直監(jiān)控溫度并且易于操作的溫度測(cè)量傳感產(chǎn)品對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活有著十分重要的意義。

因此，作為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的一部分，筆者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于溫度傳感器的智能鞋柜。實(shí)現(xiàn)了對(duì)人們的鞋子的護(hù)理以及增強(qiáng)了對(duì)腳部健康的重視。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該智能鞋柜中使用的溫度傳感器是DS18B20 高精度數(shù)字溫度傳感器，它必須使用微控制器輸入/輸出端口模擬單總線同步，與DS18B20 通信并測(cè)量環(huán)境溫度，將檢測(cè)的環(huán)境溫度讀取出來(lái)，再通過單片機(jī)將信號(hào)送入到控制器中，由微電腦控制系統(tǒng)控制溫度調(diào)節(jié)模塊、臭氧發(fā)生器和PTC 發(fā)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)由溫度傳感器、單片機(jī)、臭氧發(fā)生器、DS1302時(shí)鐘顯示模塊、智能PTC發(fā)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、語(yǔ)音提示模塊、電源組成。如圖1所示。

圖1 總設(shè)計(jì)方框

本鞋柜以單片機(jī)為主要控制器，其他模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能。使用者可以根據(jù)不同的季節(jié)將鞋子放在春、夏、秋、冬四種不同的鞋盒中，鞋柜可以通過時(shí)間模塊的控制，自動(dòng)調(diào)整鞋盒的角度，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)鞋子的分類，同時(shí)也大大減少了人們?cè)谕獬銮疤暨x鞋子的時(shí)間，使人們的生活得到了便利。它還可以執(zhí)行一些護(hù)理功能，如自動(dòng)儲(chǔ)存時(shí)間、自動(dòng)消毒、除臭和干燥。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體電路圖

2.1 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器是一種能夠被廣泛使用的溫度傳感器，它的溫度測(cè)量范圍為-55 ℃～+125 ℃，分辨率為0.062 5 ℃，可以滿足大部分情況下溫度測(cè)量要求。它主要根據(jù)使用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。密封后的DS18B20 可用于測(cè)量電纜溝的溫度、測(cè)量高爐水循環(huán)的溫度、測(cè)量鍋爐溫度、測(cè)量機(jī)房的溫度、測(cè)量農(nóng)業(yè)大棚的溫度、測(cè)量潔凈室的溫度、測(cè)量彈藥庫(kù)的溫度以及其他不受溫度限制的應(yīng)用，適用于各種狹窄的溫度測(cè)量和數(shù)字設(shè)備的監(jiān)控應(yīng)用。它可以通過9 ～12位二進(jìn)制輸出直接輸出測(cè)量的溫度，而且非常小，對(duì)于溫度輸出，它可以由微控制器控制。對(duì)于溫度測(cè)量，有必要根據(jù)溫度分辨率設(shè)置不同的轉(zhuǎn)換時(shí)間。如表1所示。

表1 DS18B20 溫度傳感器溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表

DS18B20 實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通信只需要一條口線即可，易于操作。DS18B20 是生活中比較常用的數(shù)字溫度傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)，易于讀取，其體積小，抗干擾能力較強(qiáng)，精度高。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 臭氧發(fā)生器

臭氧發(fā)生器利用電離原理釋放臭氧分子，殺死細(xì)菌，消除異味，使空氣清新。與氯氣相比，臭氧的工作速度快600 ～3 000 倍。它能在幾秒鐘內(nèi)殺死細(xì)菌、真菌和其他污染物。由于臭氧非常容易分解，而且不能儲(chǔ)存，所以必須在現(xiàn)場(chǎng)使用（在特殊情況下可以短期儲(chǔ)存），這就是為什么在使用臭氧的地方都要使用臭氧發(fā)生器。在家庭或私人生活中，與鞋子息息相關(guān)的腳臭現(xiàn)象常常被忽視，因?yàn)槟_臭很容易滋生真菌，如果不加以控制和管理，會(huì)導(dǎo)致我們的腳被真菌感染，進(jìn)而引起腳氣病或灰指甲等疾病。而且真菌具有高度傳染性，在一個(gè)家庭中，這些疾病很容易傳播給其他家庭成員。與傳統(tǒng)鞋柜長(zhǎng)期不通風(fēng)、環(huán)境陰暗相比，智能鞋柜很好地解決了這個(gè)問題。

通過使用臭氧發(fā)生器，鞋子在室內(nèi)被消毒，將用戶的腳保護(hù)起來(lái)從而免受真菌感染。臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體可以直接使用。在對(duì)鞋柜內(nèi)部進(jìn)行消毒時(shí)，過程很慢，必須在室內(nèi)進(jìn)行，而且要在鞋柜關(guān)閉的情況下，進(jìn)行60 分鐘的消毒。

2.3 時(shí)鐘顯示模塊

鞋柜使用DS1302 時(shí)鐘模塊，通過一個(gè)三線SPI 接口顯示時(shí)間。這使用一個(gè)單片機(jī)來(lái)記錄你想在DS1302 時(shí)鐘模塊中顯示的時(shí)間，以便它能顯示年、月、日、周和時(shí)間。時(shí)、分、秒，并有各種功能，如閏年補(bǔ)償。通過DS1302，DALLAS 推出了帶有省電實(shí)時(shí)芯片的涓流充電功能。利用串行數(shù)據(jù)傳輸，它可以提供具有斷電保護(hù)的可編程電源充電功能，并可禁用充電功能。它還可以提醒用戶當(dāng)天的時(shí)間，方便提醒出行，這就擴(kuò)展了智能鞋柜的功能，使其更加實(shí)用。

2.4 智能PTC 發(fā)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

該循環(huán)系統(tǒng)的PTC加熱元件具有自動(dòng)保持恒溫的功能，不需要溫控系統(tǒng)，同時(shí)，該系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，工作可靠，多個(gè)PTC 加熱元件可以同時(shí)使用。智能鞋柜采用PTC 智能加熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，可將鞋柜內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)到35 度左右，有效去除鞋內(nèi)水分，防止細(xì)菌滋生。如果溫度太高，鞋內(nèi)的膠水會(huì)融化，很容易損壞。反之，如果溫度太低，鞋子就會(huì)變硬，穿起來(lái)就會(huì)開裂。當(dāng)用戶在雨天從街上回家時(shí)，鞋子不可避免地變得潮濕。由于這種循環(huán)系統(tǒng)，鞋子得到了干燥和除濕。它還能確保用戶在穿鞋時(shí)鞋內(nèi)保持溫暖，這大大改善了用戶體驗(yàn)。

2.5 進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換角度功能

鞋柜分為春、夏、秋、冬四個(gè)部分，可以放入不同季節(jié)的鞋子，四個(gè)部分通過時(shí)間來(lái)區(qū)分這四個(gè)部分，通過CPU的記憶功能將春（農(nóng)歷1—3月）、夏（農(nóng)歷4—6月）、秋（農(nóng)歷7—9月）、冬（農(nóng)歷10—12月）的時(shí)間儲(chǔ)存，一旦到了一定的時(shí)間，鞋柜里的鞋盒自動(dòng)轉(zhuǎn)換角度；也可以根據(jù)使用者的喜好，通過旋轉(zhuǎn)按鈕手動(dòng)調(diào)節(jié)鞋盒角度位置上。

2.6 STM32F103 芯片

STM32F 系列是意法半導(dǎo)體（ST）推出的中低端32 位ARM 微控制器，采用Cortex-M3 內(nèi)核，廣泛用于電力電子、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、醫(yī)療設(shè)備、手持設(shè)備、PC 游戲外設(shè)、GPS 平臺(tái)、完整的控制系統(tǒng)、變頻器、掃描儀、打印機(jī)、報(bào)警系統(tǒng)、視頻對(duì)講加熱和通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。該芯片具有功耗低的優(yōu)勢(shì)，可以在睡眠、關(guān)機(jī)和待機(jī)模式下運(yùn)行。它有兩個(gè)內(nèi)置的12 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換所有傳感器和微控制器的數(shù)據(jù)。此外，它還支持一個(gè)外圍的計(jì)時(shí)器，以方便行程提醒。

2.7 單片機(jī)

單片機(jī)是一種重要的微處理器，常用于智能電器、通信設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)和其他領(lǐng)域。它不是一個(gè)執(zhí)行特定邏輯功能的芯片，而是一個(gè)集成在單個(gè)芯片中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)；與計(jì)算機(jī)相比，微控制器只缺少輸入/輸出設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，芯片就可成為一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它體積小、重量輕、價(jià)格低廉，給學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)等提供了便利。一個(gè)單片機(jī)是一個(gè)集成電路芯片。單片機(jī)的主要組成部分是CPU、只讀ROM 和RAM。各種數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)使微控制器能夠進(jìn)行各種不容易的操作，無(wú)論是控制算術(shù)符號(hào)還是計(jì)算系統(tǒng)給出的指令。因此，很明顯，由于微控制器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和計(jì)算能力，它可以被用于廣泛的智能電子設(shè)備中。簡(jiǎn)單地說，微控制器是形成一個(gè)系統(tǒng)的芯片，通過使用集成電路技術(shù)將計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力集成到芯片中，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.8 語(yǔ)音提示模塊

鞋柜采用MP3 提示器。其常被應(yīng)用于單片機(jī)控制的語(yǔ)音播放應(yīng)用；大型工廠、倉(cāng)庫(kù)、樓道出口安全警示；智能小車，電子設(shè)計(jì)應(yīng)用；機(jī)電設(shè)備，電子應(yīng)用報(bào)警，廣告、自動(dòng)廣播、定時(shí)播放消息，設(shè)備操作引導(dǎo)語(yǔ)音，語(yǔ)音警告。

該產(chǎn)品的特點(diǎn)有：（1）觸發(fā)一次，播放一次；（2）9個(gè)觸發(fā)端口，直接觸發(fā)播放；（3）結(jié)合單片機(jī)IO 口編碼觸發(fā)播放31 首MP3；（4）內(nèi)部帶3W 功放，滿足大部分應(yīng)用要求。

參數(shù)為：（1） 支持采樣率：8、11.025、12、16、22.5、24、32、44.1、48 kHZ；（2） 支持FAT16/FAT32 文件系統(tǒng)、限大支持16 G TF 卡；（3）DC 5 V 供電，具備2組接口；（4）音量大小可調(diào)、簡(jiǎn)單旋鈕調(diào)節(jié)方式；（5）低電平觸發(fā)、對(duì)地觸發(fā)；（6）支持0～2W 4～8 Ω 歐喇叭負(fù)載。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開啟后，會(huì)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，以DS18B20 為例，部分核心程序?yàn)椋?/p>

4 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)

所設(shè)計(jì)鞋柜的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）該設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同季節(jié)的鞋子，按季節(jié)放置于春夏秋冬四個(gè)鞋盒里面，通過時(shí)間模塊控制自動(dòng)翻轉(zhuǎn)鞋盒的角度，方便收納；（2）可實(shí)現(xiàn)防霉祛潮的功能，使用智能PTC 發(fā)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)冷凝除濕；（3）語(yǔ)音控制模塊可實(shí)時(shí)顯示星期、時(shí)間，方便提醒出行；（4）利用臭氧的化學(xué)特性及微電腦控制系統(tǒng)，產(chǎn)生適度臭氧，對(duì)鞋子進(jìn)行除臭和殺菌防霉處理；同時(shí)控制電熱元件間斷地工作，使鞋柜內(nèi)維持一個(gè)合適的溫暖的空間，慢慢地對(duì)鞋子進(jìn)行烘干處理。

5 結(jié)論

智能鞋柜符合當(dāng)下所有人的生活追求，它適合于高檔賓館酒店、美容美發(fā)、健身房、桑拿房、洗浴中心、泳池、室內(nèi)籃球場(chǎng)、大型工廠、學(xué)校、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院等各種需要消除真菌、異味、保持潔凈的地方；更適用于廣大普通居民，改善了傳統(tǒng)鞋柜上的不足，實(shí)現(xiàn)了生活智能化。