智能鞋柜控制板設計開發(fā)

隨著智能時代的到來，智能家居成為各界人士爭相討論、深度研究的重要話題和主要方向，而智能家居中對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、對鞋的殺菌除臭強度不夠等缺點。因此，文中對鞋柜的功能種類、加熱除濕、殺菌除臭等方面進行了完善與加強。

以STM32F103RBT6單片機作為核心控制處理器，通過外設傳感器進行外部數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過單片機處理進而實現(xiàn)相應功能。

本設計一方面通過控制外設傳感器模塊實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，另一方面，采用220V轉12V的開關電源或太陽能電池板相互切換這2種模式，即可以通過220V直接供電，也可以放在陽臺等光照強度高、光照面積大的地點進行充電，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)總體設計方案

采用太陽能電池板或220V開關電源對整個系統(tǒng)進行供電，鞋柜整體由木板組成，利用SolidWorks進行圖紙設計，并通過雕刻機進行加工處理，鞋柜下方設有4個自鎖萬向輪，方便移動；通過使用臭氧發(fā)生器、負離子發(fā)生器、溫濕度傳感器、PTC加熱陶瓷片、煙霧報警器等傳感器進行數(shù)據(jù)采集，選用STM32F103RBT6單片機為核心控制處理器進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，采用TFT液晶屏進行參數(shù)顯示，通過藍牙實現(xiàn)無線通信，在移動端顯示測試的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預期成果。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

二、智能消毒鞋柜系統(tǒng)硬件設計

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，電源部分采用開關電源或太陽能電池板進行供電，利用藍牙進行數(shù)據(jù)實時返回。系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。

2.1單片機最小系統(tǒng)電路

智能節(jié)能鞋柜系統(tǒng)采用STM32F103RBT6作為總控制器,選擇此種單片機型號有3點原因：（1）其強大的處理速度遠遠高于51系列單片機、MSP430系列單片機；（2）GPIO口相對較多，充分滿足我們外設傳感器需要眾多引腳的要求；（3）在程序編寫過程中，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計

（1）太陽能電池板及開關電源的選擇：太陽能電池板采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的12V家用單晶太陽能電池板，單晶硅太陽能電池是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的。開關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芯片進行電路設計，該電路可以把12V電壓降為5V。

（2）光耦隔離電路設計：光耦隔離電路對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，本設計中的光耦電路采用的芯片型號為HCPL-2630，該芯片可以實現(xiàn)雙路信號的隔離。

2.3溫濕度檢測及氣體濃度檢測系統(tǒng)

溫度檢測選用DS18B20傳感器，該傳感器具有成本低、功耗小的優(yōu)點。濕度檢測選用DHT11傳感器，該傳感器測量準確，操作簡單易上手，價格低廉。氣體濃度檢測選用MQ135傳感器，該傳感器可以實時檢測鞋柜內(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加熱陶瓷與散熱風扇對鞋柜內(nèi)部進行加熱除濕，PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點。通氣風扇采用5V低功率機箱散熱風扇，既能節(jié)約能量又能起到通風換氣的效果。

2.5殺菌除臭除塵系統(tǒng)

通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧，對鞋中臭味所含的氨、甲硫醇等氣體成分進行氧化分解，從而達到除臭的目的。通過負離子發(fā)生器產(chǎn)生的負離子對擦鞋后飄在空氣中的細菌和灰塵等進行沉降，達到除塵除灰的目的。

2.6顯示系統(tǒng)

本設計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、高對比度顯示屏幕信息。

2.7無線傳輸系統(tǒng)

使用HC-05藍牙模塊與移動端進行通信，移動端通過串口助手控制鞋柜，該型號藍牙具有速度快，配對簡單等優(yōu)點。

三、智能消毒鞋柜系統(tǒng)軟件設計

采用C語言作為代碼語言，利用keil5平臺進行編寫開發(fā)。程序基于STM32F103RBT6進行編寫，該型號單片機引腳眾多且內(nèi)部資源豐富，模塊化編程通俗易懂。整體方案是單片機初始化整個系統(tǒng)，溫濕度傳感器率先工作，當柜內(nèi)濕度過高則觸發(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MQ135檢測到柜內(nèi)氣體濃度過高時，則觸發(fā)臭氧發(fā)生器模塊進行除臭，之后則進行擦鞋系統(tǒng)的處理，負離子發(fā)生器會對空氣中的細菌和灰塵等進行沉降；檢測氣體異味濃度，判斷鞋子當前的潔凈度，并將信息反饋給單片機從而觸發(fā)排風擦鞋模塊，開始清潔鞋子。

3.1加熱除濕程序設計

在加熱除濕的程序設計上，首先單片機進行初始化，DHT11進行柜內(nèi)溫度采集，當數(shù)值超過了預定閾值，則觸發(fā)PTC加熱系統(tǒng)，加熱后的溫度數(shù)值由DS18B20監(jiān)控，當溫度數(shù)值大于預定閾值，則停止PTC陶瓷片加熱，除濕完畢后觸發(fā)排風擦鞋模塊，相關數(shù)據(jù)通過藍牙傳到移動端，移動端用戶也可以通過串口助手對鞋柜進行控制。

3.2殺菌除臭除塵程序設計

在殺菌除臭除塵的程序設計上，單片機進行初始化，MQ135進行柜內(nèi)氣體濃度檢測，當氣體濃度大于預定閾值，則觸發(fā)臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生臭氧對氣體中有關成分進行氧化。當氧化、擦鞋清潔后空中存在細菌和灰塵，通過負離子發(fā)生器進行沉降，再經(jīng)由通風管道排出。

四、消毒鞋柜的系統(tǒng)調試

對系統(tǒng)進行測試，溫濕度傳感器采回數(shù)據(jù)與目標值進行比對，當濕度超過預定閾值，PTC陶瓷則開始加熱除濕，溫度大于閾值便停止加熱，防止過熱造成系統(tǒng)損壞，加熱結束后，MQ135開始檢測氣體濃度，當柜內(nèi)氣體濃度大于閾值，臭氧發(fā)生器開始工作，同時，負離子發(fā)生器進行沉降除塵。

經(jīng)過實際測試，各個外設傳感器均可正常工作（ON-工作，OFF-停止），據(jù)觀察與相關數(shù)據(jù)的顯示，相比于普通的電子消毒鞋柜，該系統(tǒng)加大對加熱除濕、殺菌消毒方面的強度，并且，太陽能供電起到節(jié)能環(huán)保的作用。在調試過程中，針對DS18B20讀取頻繁導致不精準，致使加熱系統(tǒng)一直工作這一問題，設計增加了1套算法，即設定1個目標值，溫度達不到則會一直上漲，一旦達到或超過閾值，立刻通過繼電器停止加熱系統(tǒng)工作，之后進行殺菌除臭系統(tǒng)的同時，再次打開繼電器，這樣就解決了由于DS18B20偶爾的非正常工作導致系統(tǒng)異常的問題。據(jù)整體調試及數(shù)據(jù)顯示，各個傳感器均在可控制范圍內(nèi)，實現(xiàn)反饋控制，整個系統(tǒng)實現(xiàn)預期要求。

總結

基于閉環(huán)反饋控制理論設計的節(jié)能鞋柜系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫濕度反饋、加熱除濕、殺菌除臭以及排風打掃清潔功能，有效提升了家居鞋柜的智能性、實用性、節(jié)能環(huán)保性和低成本性，同時，該系統(tǒng)可通過無線系統(tǒng)進行簡單的人機交互，具有容易控制的特點，在智能節(jié)能鞋柜乃至家居領域具有一定應用價值和創(chuàng)新意義。

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