基于STC單片機(jī)的閉環(huán)反饋控制智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯知日

摘要：設(shè)計(jì)一種能夠以閉環(huán)反饋形式控制的智能鞋柜系統(tǒng)以控制其溫濕度、殺菌除臭除塵的功能。該系統(tǒng)以STC單片機(jī)為核心，利用加熱陶瓷、風(fēng)扇和溫濕度傳感器組成溫濕度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用臭氧發(fā)生器、氣體檢測(cè)器、負(fù)離子發(fā)生器和灰塵傳感器組成殺菌除臭除塵功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使智能鞋柜系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整溫濕度以及臭氧負(fù)離子的濃度，從而提高智能鞋柜的用戶友好度。

關(guān)鍵詞：智能鞋柜；閉環(huán)控制；用戶友好度

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）18-0232-03

Design of Closed-Loop Feedback Control Intelligent Shoe Cabinet System Based on STC Microcontroller

TANG Zhi-ri

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： This paper designed an intelligent shoe cabinet system， which can form a closed-loop feedback control， to control the function of temperature and humidity， sterilization， deodorization and dusting. The system adopted STC microcontroller as the core CPU. It used heating ceramic， fan and temperature and humidity sensors to form the temperature and humidity closed-loop control system， and ozone generator， gas detector， anion generator and dust sensor to form the function of sterilization， deodorization and dusting closed-loop control system， which make shoe cabinet system to adjust the temperature and humidity and the concentration of ozone and anion to improve its used-friendliness.

Key words： intelligent shoe cabinet； closed-loop control； user-friendliness

近年來(lái)，智能家居的發(fā)展迅速，這其中就包括了家居中必不可少的鞋柜。很多知名的家電公司都在這個(gè)方面投入了大筆的開(kāi)發(fā)資金，市面上也已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同功能不同作用的智能鞋柜。但無(wú)一例外的是，暫時(shí)還沒(méi)有利用閉環(huán)反饋來(lái)對(duì)智能鞋柜所擁有的功能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控的產(chǎn)品出現(xiàn)，現(xiàn)有的智能鞋柜僅僅依賴時(shí)間為唯一判定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，其用戶友好度和智能度并不盡如人意[1]。因此，作為智能家居更加友好化智能化的方向，設(shè)計(jì)出一種擁有結(jié)合實(shí)際鞋柜需要以及各種外界環(huán)境因素改變而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控閉環(huán)反饋系統(tǒng)的智能鞋柜勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的智能鞋柜功能繁多，其中以康耐斯智能鞋柜與索菲智能鞋柜為代表。康耐斯智能鞋柜在傳統(tǒng)鞋柜的基礎(chǔ)上，增加了除臭殺菌的功能，其除臭殺菌功能是利用臭氧的強(qiáng)氧化性以及在被分解后無(wú)味無(wú)臭的特點(diǎn)，加上對(duì)鞋柜進(jìn)行保溫處理，從根本上解決真菌、細(xì)菌等帶來(lái)的腳臭問(wèn)題；而索菲智能鞋柜則擺脫了傳統(tǒng)鞋柜單一儲(chǔ)存功能的局限，是一種集殺菌除臭、除濕去霉及儲(chǔ)存保潔等功能于一身的新型現(xiàn)代化智能鞋柜[2]。

總結(jié)而言，市面上現(xiàn)有智能鞋柜的主要功能有：

加熱除濕：現(xiàn)有智能鞋柜中，多采用高效節(jié)能的PTC加熱陶瓷與散熱風(fēng)扇對(duì)鞋柜內(nèi)部進(jìn)行加熱除濕。

殺菌除臭：通過(guò)產(chǎn)生臭氧對(duì)鞋中臭味所含的氨、甲硫醇等進(jìn)行氧化分解，從而達(dá)到除臭的目的。

液晶顯示：利用LCD顯示屏對(duì)鞋柜內(nèi)部的溫濕度等參數(shù)進(jìn)行顯示。

自動(dòng)擦鞋：現(xiàn)有智能鞋柜普遍附帶有自動(dòng)擦鞋的功能，便于日常生活使用。

因此，作為一個(gè)可以進(jìn)行完善以及改進(jìn)的部分，本文擬采用STC單片機(jī)的信號(hào)采集以及處理的功能可以對(duì)現(xiàn)有的智能鞋柜進(jìn)行改進(jìn)[3]，給出一個(gè)完整的閉環(huán)控制智能鞋柜的設(shè)計(jì)模型，并且結(jié)合現(xiàn)有的硬件設(shè)備做出成品。

1智能鞋柜系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

本文預(yù)期利用現(xiàn)有的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能，利用PTC加熱陶瓷和風(fēng)扇對(duì)鞋柜內(nèi)部進(jìn)行加熱除濕，并且結(jié)合溫濕度傳感器對(duì)鞋柜內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及信息反饋；利用臭氧發(fā)生器進(jìn)行高壓放電產(chǎn)生臭氧，實(shí)現(xiàn)殺菌除臭的功能，并結(jié)合氣體檢測(cè)器對(duì)鞋柜內(nèi)部的臭氧濃度進(jìn)行監(jiān)控反饋；在現(xiàn)有智能鞋柜功能的基礎(chǔ)上，加入利用負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)離子實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣除塵的功能，再結(jié)合灰塵傳感器對(duì)負(fù)離子除塵的效果進(jìn)行監(jiān)控反饋。系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

1.2 加熱除濕系統(tǒng)的硬件選擇及軟件流程

由于在鞋柜中放置的鞋大多數(shù)為皮革制品，故而在相對(duì)濕度高于75%的環(huán)境中容易滋生霉菌，而在我國(guó)許多南方地區(qū)，每年更是有很大比例的天氣相對(duì)濕度高于這個(gè)數(shù)值，并且考慮到冬天時(shí)鞋柜內(nèi)氣溫過(guò)低直接穿鞋很不舒服[4]。綜合以上因素，選擇將鞋柜內(nèi)的濕度控制在75%以下，溫度控制在15℃以上。

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的硬件選擇市面上現(xiàn)有的智能鞋柜普遍采用的CSH3B-F2150K裝置，包括PTC加熱陶瓷與靜音長(zhǎng)壽命風(fēng)扇進(jìn)行加熱和除濕。選擇使用常見(jiàn)的DHT系列的YS-31單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行溫濕度及時(shí)數(shù)據(jù)的采集[5]。

利用STC單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，并利用單片機(jī)上的繼電器功能控制加熱除濕裝置的通斷即可。加熱除濕系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

1.3 殺菌除臭除塵系統(tǒng)的硬件選擇及軟件流程

殺菌除臭的功能是利用臭氧的可以氧化臭味中所含的氨、甲硫醇等成分實(shí)現(xiàn)的，再結(jié)合鞋柜的大小尺寸實(shí)際需要，進(jìn)而選擇市面上現(xiàn)有小發(fā)生量的高壓放電式的臭氧發(fā)生器以及MQ131臭氧傳感器進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。MQ131臭氧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），其電導(dǎo)率隨著空氣中臭氧濃度的增大而增大，即可以進(jìn)一步利用簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與此時(shí)臭氧濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[6]。在檢測(cè)到的臭氧濃度超過(guò)閾值時(shí)再利用繼電器功能斷開(kāi)臭氧發(fā)生器的開(kāi)關(guān)。由于空氣中臭氧濃度一般不會(huì)超過(guò)0.1ppm，作為空氣除味與殺菌，要求臭氧濃度較低，如0.5ppm（1mg/m?），而物品表面消毒（殺滅微生物和去除化學(xué)污染）則要求提高幾十倍的臭氧濃度[7]。故而結(jié)合實(shí)際需要，我們將臭氧的閾值濃度設(shè)定為4.7ppm。此外，由于過(guò)量臭氧對(duì)人體有害，所以將臭氧的發(fā)生設(shè)定為按鍵控制的單次的發(fā)生-斷開(kāi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)較為妥當(dāng)。

除塵功能的實(shí)現(xiàn)是利用負(fù)離子對(duì)在擦鞋后飄在空氣中的細(xì)菌和灰塵等進(jìn)行沉降。由于負(fù)離子對(duì)人體無(wú)害且發(fā)生功耗較低，所以與加熱除濕系統(tǒng)一樣采用實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制。硬件部分選擇了一個(gè)普通家用可調(diào)控的負(fù)離子發(fā)生模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)離子發(fā)生的功能，打開(kāi)開(kāi)關(guān)即可發(fā)生負(fù)離子。選擇使用DSM501A灰塵傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將檢測(cè)到的灰塵濃度轉(zhuǎn)換為低脈沖信號(hào)進(jìn)行顯示，二者之間呈線性關(guān)系[8]。與臭氧的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)類似，在灰塵濃度低于閾值時(shí)利用繼電器斷開(kāi)負(fù)離子發(fā)生器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的功能。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由STC單片機(jī)、PTC加熱陶瓷、風(fēng)扇和溫濕度檢測(cè)器組成的加熱除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該加熱除濕系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)鞋柜內(nèi)部溫濕度，根據(jù)軟件流程安排實(shí)現(xiàn)預(yù)期加熱除濕的功能。

分別在溫度和濕度分別高于或低于設(shè)定閾值的共四種外環(huán)境條件組合下對(duì)加熱除濕系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在非極端天氣狀況下，加熱除濕系統(tǒng)開(kāi)始工作之后大約15～20min即可達(dá)到預(yù)期效果，并且在溫度低于閾值或濕度高于閾值時(shí)可以再次啟動(dòng)。

由STC單片機(jī)、臭氧發(fā)生器、氣體檢測(cè)器、負(fù)離子發(fā)生器和灰塵傳感器組成的殺菌除臭除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。該殺菌除臭除塵系統(tǒng)可以根據(jù)鞋柜內(nèi)部的臭氧和灰塵濃度的檢測(cè)來(lái)自動(dòng)發(fā)生臭氧和負(fù)離子，并根據(jù)軟件流程安排實(shí)現(xiàn)預(yù)期的殺菌除臭除塵功能。

在非極端溫濕度外環(huán)境條件下進(jìn)行殺菌除臭除塵功能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在開(kāi)始工作之后大約10～15min即可使得臭氧濃度達(dá)到閾值、灰塵濃度低于閾值，并且在實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能之后可以自動(dòng)關(guān)閉，在再次打開(kāi)臭氧發(fā)生開(kāi)關(guān)或灰塵濃度高于閾值時(shí)可以再次啟動(dòng)。

對(duì)整合系統(tǒng)進(jìn)行不同外環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)可以表明，該閉環(huán)反饋智能鞋柜系統(tǒng)可以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，在原有的智能鞋柜基礎(chǔ)上極大地提升了用戶友好度和智能度。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要利用現(xiàn)有的單片機(jī)技術(shù)，利用其信號(hào)采集以及處理的手段對(duì)現(xiàn)有的智能鞋柜進(jìn)行改進(jìn)，使得該設(shè)計(jì)改變了原有智能鞋柜只依賴時(shí)間為唯一標(biāo)準(zhǔn)的弊端，而實(shí)現(xiàn)了結(jié)合實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控溫濕度以及殺菌除臭除塵的功能，在現(xiàn)有的智能鞋柜基礎(chǔ)上提高了智能度，同時(shí)進(jìn)一步提升了用戶友好度。

本閉環(huán)控制智能鞋柜系統(tǒng)在溫濕度以及臭氧、灰塵的檢測(cè)上靈敏度較低，預(yù)期改進(jìn)措施是選擇精度以及靈敏度更高的硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有待進(jìn)一步嘗試。

智能鞋柜，乃至是智能家居的應(yīng)用必然會(huì)越來(lái)越普遍，而智能鞋柜的用戶友好度和智能化程度則是制約其推廣應(yīng)用的主要因素。基于單片機(jī)閉環(huán)反饋功能的智能鞋柜，能夠真正結(jié)合鞋柜內(nèi)部實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)各種功能進(jìn)行調(diào)控，減少了人為的主動(dòng)控制，擁有更好的用戶友好度和智能度。

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