基于温度传感器的智能鞋柜设计

2022-11-03王春燕段宜亮李雪松韩祥森

现代信息科技 2022年18期

王春燕，段宜亮，李雪松，韩祥森

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

随着现代人们生活水平和生活质量日益提升，人们对智能家具的需要量愈来愈大，所要求的生活品质也愈来愈高，因此更多的人开始向往着高质量、高水平的家居生活，我们所设计的智能鞋柜是在原来传统鞋柜的基础上，根据现代电子技术，智能等先进技术加以更新，增加了原有鞋柜发现的功能，从而大大满足了现代人类对高品质家居生活的要求。鞋柜能够根据不同季节智能自动旋转，并进行杀菌、防潮祛湿、排风等。可以进行时钟显示、环境温度测试、清新空气等。在日常生活中真菌对人体的伤害很大，会损伤人体皮肤系统，如发生脚气等。真菌一般生长在免疫力低下、潮湿、温暖的环境中，本鞋柜通过臭氧消毒技术，可去除异味真菌。可以根据不同季节穿的鞋子，按季节放置于春夏秋冬四个鞋盒里面，根据时间的变化自动旋转鞋盒的角度。还可以通过语音提示模块示意人们当天的日期、气温，方便出行。同时这款智能鞋柜减少了人们对鞋子安全和卫生的忧虑，能使鞋子在鞋柜中时刻保持卫生，从而减少脚气等疾病的产生，使人们的生活质量得到大大提高。随着时代的发展和人民生活水平的不断提高，人们对鞋的卫生和脚的护理越来越重视。因此，一个巨大的收纳鞋子和护理鞋子的市场就形成了。

根据传感器销售市场的调查研究，温度传感器在所有传感器中所占最大份额，被广泛地应用于农业生产、科学研究等重要应用中。因此，一个能够一直监控温度并且易于操作的温度测量传感产品对工业生产和日常生活有着十分重要的意义。

因此，作为学生创新创业项目的一部分，笔者设计并开发了一个基于温度传感器的智能鞋柜。实现了对人们的鞋子的护理以及增强了对脚部健康的重视。

1 系统总体设计方案

该智能鞋柜中使用的温度传感器是DS18B20 高精度数字温度传感器，它必须使用微控制器输入/输出端口模拟单总线同步，与DS18B20 通信并测量环境温度，将检测的环境温度读取出来，再通过单片机将信号送入到控制器中，由微电脑控制系统控制温度调节模块、臭氧发生器和PTC 发热风循环系统的运行。整个设计由温度传感器、单片机、臭氧发生器、DS1302时钟显示模块、智能PTC发热风循环系统、语音提示模块、电源组成。如图1所示。

图1 总设计方框

本鞋柜以单片机为主要控制器，其他模块执行相应的功能。使用者可以根据不同的季节将鞋子放在春、夏、秋、冬四种不同的鞋盒中，鞋柜可以通过时间模块的控制，自动调整鞋盒的角度，实现不同季节鞋子的分类，同时也大大减少了人们在外出前挑选鞋子的时间，使人们的生活得到了便利。它还可以执行一些护理功能，如自动储存时间、自动消毒、除臭和干燥。

2 硬件设计

系统整体电路图如图2所示。

图2 系统整体电路图

2.1 DS18B20 温度传感器

DS18B20 温度传感器是一种能够被广泛使用的温度传感器，它的温度测量范围为-55 ℃～+125 ℃，分辨率为0.062 5 ℃，可以满足大部分情况下温度测量要求。它主要根据使用场合的不同而改变其外观。密封后的DS18B20 可用于测量电缆沟的温度、测量高炉水循环的温度、测量锅炉温度、测量机房的温度、测量农业大棚的温度、测量洁净室的温度、测量弹药库的温度以及其他不受温度限制的应用，适用于各种狭窄的温度测量和数字设备的监控应用。它可以通过9 ～12位二进制输出直接输出测量的温度，而且非常小，对于温度输出，它可以由微控制器控制。对于温度测量，有必要根据温度分辨率设置不同的转换时间。如表1所示。

表1 DS18B20 温度传感器温度转换时间表

DS18B20 实现微处理器与DS18B20 的双向通信只需要一条口线即可，易于操作。DS18B20 是生活中比较常用的数字温度传感器，输出数字信号，易于读取，其体积小，抗干扰能力较强，精度高。其内部结构如图3所示。

图3 内部结构图

2.2 臭氧发生器

臭氧发生器利用电离原理释放臭氧分子，杀死细菌，消除异味，使空气清新。与氯气相比，臭氧的工作速度快600 ～3 000 倍。它能在几秒钟内杀死细菌、真菌和其他污染物。由于臭氧非常容易分解，而且不能储存，所以必须在现场使用（在特殊情况下可以短期储存），这就是为什么在使用臭氧的地方都要使用臭氧发生器。在家庭或私人生活中，与鞋子息息相关的脚臭现象常常被忽视，因为脚臭很容易滋生真菌，如果不加以控制和管理，会导致我们的脚被真菌感染，进而引起脚气病或灰指甲等疾病。而且真菌具有高度传染性，在一个家庭中，这些疾病很容易传播给其他家庭成员。与传统鞋柜长期不通风、环境阴暗相比，智能鞋柜很好地解决了这个问题。

通过使用臭氧发生器，鞋子在室内被消毒，将用户的脚保护起来从而免受真菌感染。臭氧发生器产生的臭氧气体可以直接使用。在对鞋柜内部进行消毒时，过程很慢，必须在室内进行，而且要在鞋柜关闭的情况下，进行60 分钟的消毒。

2.3 时钟显示模块

鞋柜使用DS1302 时钟模块，通过一个三线SPI 接口显示时间。这使用一个单片机来记录你想在DS1302 时钟模块中显示的时间，以便它能显示年、月、日、周和时间。时、分、秒，并有各种功能，如闰年补偿。通过DS1302，DALLAS 推出了带有省电实时芯片的涓流充电功能。利用串行数据传输，它可以提供具有断电保护的可编程电源充电功能，并可禁用充电功能。它还可以提醒用户当天的时间，方便提醒出行，这就扩展了智能鞋柜的功能，使其更加实用。

2.4 智能PTC 发热风循环系统

该循环系统的PTC加热元件具有自动保持恒温的功能，不需要温控系统，同时，该系统使用寿命长，工作可靠，多个PTC 加热元件可以同时使用。智能鞋柜采用PTC 智能加热风循环系统，可将鞋柜内的温度调节到35 度左右，有效去除鞋内水分，防止细菌滋生。如果温度太高，鞋内的胶水会融化，很容易损坏。反之，如果温度太低，鞋子就会变硬，穿起来就会开裂。当用户在雨天从街上回家时，鞋子不可避免地变得潮湿。由于这种循环系统，鞋子得到了干燥和除湿。它还能确保用户在穿鞋时鞋内保持温暖，这大大改善了用户体验。

2.5 进行自动转换角度功能

鞋柜分为春、夏、秋、冬四个部分，可以放入不同季节的鞋子，四个部分通过时间来区分这四个部分，通过CPU的记忆功能将春（农历1—3月）、夏（农历4—6月）、秋（农历7—9月）、冬（农历10—12月）的时间储存，一旦到了一定的时间，鞋柜里的鞋盒自动转换角度；也可以根据使用者的喜好，通过旋转按钮手动调节鞋盒角度位置上。

2.6 STM32F103 芯片

STM32F 系列是意法半导体（ST）推出的中低端32 位ARM 微控制器，采用Cortex-M3 内核，广泛用于电力电子、电机驱动、应用控制、医疗设备、手持设备、PC 游戏外设、GPS 平台、完整的控制系统、变频器、扫描仪、打印机、报警系统、视频对讲加热和通风系统、空调系统等。该芯片具有功耗低的优势，可以在睡眠、关机和待机模式下运行。它有两个内置的12 位模拟数字转换器，用于转换所有传感器和微控制器的数据。此外，它还支持一个外围的计时器，以方便行程提醒。

2.7 单片机

单片机是一种重要的微处理器，常用于智能电器、通信设备、导航系统、家用电器、工业和其他领域。它不是一个执行特定逻辑功能的芯片，而是一个集成在单个芯片中的计算机系统。它相当于一台微型计算机；与计算机相比，微控制器只缺少输入/输出设备。简而言之，芯片就可成为一台计算机。它体积小、重量轻、价格低廉，给学习、应用和开发等提供了便利。一个单片机是一个集成电路芯片。单片机的主要组成部分是CPU、只读ROM 和RAM。各种数据采集和控制系统使微控制器能够进行各种不容易的操作，无论是控制算术符号还是计算系统给出的指令。因此，很明显，由于微控制器强大的数据处理能力和计算能力，它可以被用于广泛的智能电子设备中。简单地说，微控制器是形成一个系统的芯片，通过使用集成电路技术将计算和数据处理能力集成到芯片中，实现高速数据处理。单片机结构图如图4所示。

图4 单片机结构图

2.8 语音提示模块

鞋柜采用MP3 提示器。其常被应用于单片机控制的语音播放应用；大型工厂、仓库、楼道出口安全警示；智能小车，电子设计应用；机电设备，电子应用报警，广告、自动广播、定时播放消息，设备操作引导语音，语音警告。

该产品的特点有：（1）触发一次，播放一次；（2）9个触发端口，直接触发播放；（3）结合单片机IO 口编码触发播放31 首MP3；（4）内部带3W 功放，满足大部分应用要求。

参数为：（1）支持采样率：8、11.025、12、16、22.5、24、32、44.1、48 kHZ；（2）支持FAT16/FAT32 文件系统、限大支持16 G TF 卡；（3）DC 5 V 供电，具备2组接口；（4）音量大小可调、简单旋钮调节方式；（5）低电平触发、对地触发；（6）支持0～2W 4～8 Ω 欧喇叭负载。

3 软件设计

系统开启后，会对各模块进行初始化，以DS18B20 为例，部分核心程序为：

4 竞争优势及创新点

所设计鞋柜的竞争优势及创新点有以下几点：

（1）该设计可以根据不同季节的鞋子，按季节放置于春夏秋冬四个鞋盒里面，通过时间模块控制自动翻转鞋盒的角度，方便收纳；（2）可实现防霉祛潮的功能，使用智能PTC 发热风循环系统,从而实现冷凝除湿；（3）语音控制模块可实时显示星期、时间，方便提醒出行；（4）利用臭氧的化学特性及微电脑控制系统，产生适度臭氧，对鞋子进行除臭和杀菌防霉处理；同时控制电热元件间断地工作，使鞋柜内维持一个合适的温暖的空间，慢慢地对鞋子进行烘干处理。