基于單片機的智能鞋柜控制系統(tǒng)

王加澤 趙建彪 何秋實 唐宏亮 吳曉雪

（大連海洋大學信息工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2012～2018 年中國智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)及投資潛力硏究分析報告》稱，我國智能家居潛在市場規(guī)模約為5.8 萬億元，發(fā)展空間巨大，現(xiàn)如今智能家居產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入蓬勃發(fā)展期[1]。其中，家電類智能家居產(chǎn)品市場份額最高[2]，市場占比超過70%。一方面，由于產(chǎn)品價格和功用性等問題，因此家電類智能家居設備整體増速較慢。另一方面，智能照明、家用攝像頭等小型產(chǎn)品不僅價格較低，而且能夠滿足消費者的即時需求，因此市場増速較快。目前，智能家居市場還處于培育階段，操作簡單、極致體驗是智能家居發(fā)展的關鍵。需要將智能控制技術應用到傳統(tǒng)家具中，使家具具有自動化、人性化以及方便性等特點[3]。

在發(fā)展空間方面，我國智能家居行業(yè)潛在市場規(guī)模巨大。根據(jù)中國室內(nèi)裝飾協(xié)會智能化委員會的分類，智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品共分為20 個類別，包括控制主機、智能照明系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、家庭背景音樂、防盜報警、電鎖門禁、智能遮陽以及智能家電等。

1 智能鞋柜的設計意義

傳統(tǒng)鞋柜通常都是用木材打制的，非常容易發(fā)霉、發(fā)潮和發(fā)臭并且還會散發(fā)有害氣體[4]。當人們下班回家時，該鞋柜可以自動將要換穿的拖鞋放至用戶腳下，通過輔助脫鞋裝置無須彎腰即可完成換鞋動作，之后鞋會自動放置在鞋架的指定位置或隨機空位上，用戶出門前鞋柜可聯(lián)網(wǎng)提供一些穿鞋建議[5]，例如根據(jù)天氣、鞋子的使用頻率來推薦當天穿的鞋子等，用戶也可以自主選擇，改善了用戶衛(wèi)生壞境，提高了人們的生活品質(zhì)，還可以為不便彎腰的老人提供幫助[6]。

2 基于單片機智能控制鞋柜的設計構想

2.1 運輸與儲存模塊設計

圖1 高精度X-Y 工作臺

運輸板和存儲板的每個鞋位下均安裝有限位開關，以感知該位置上是否有鞋，從而提供更精確的定位和服務。由于運輸板和鞋位架的交錯式設計，因此可以巧妙地存放、取用鞋子，具體放鞋過程如圖2 所示，取鞋過程反之即可。

圖2 取放鞋過程

存儲模塊是由多個存儲板組合而成的鞋位架，存儲板間用光軸相連，一端裝有舵機，通過齒輪齒條機構調(diào)整各個存儲板之間的相對距離，以便空出足夠的運輸通道，最大程度地提高空間利用率。

2.2 脫鞋模塊設計

基于抵靠腳脫鞋的習慣以及滿足鞋柜運輸架工作要求，該文設計了脫鞋裝置。首先，為了提高空間利用率，該文采用兩側導軌輔助穩(wěn)定的方法，使脫鞋裝置與主體可以進行相互運動并且使用彈簧軌道實現(xiàn)輕推開關脫鞋裝置。當脫鞋時，腳需要抵靠脫鞋裝置的弧形板。

開啟態(tài)：如圖3 所示，4 片支撐板會收縮，底板會與圓弧板側靠齊，方便用戶脫鞋時抵靠住弧形板。

圖3 開啟態(tài)

關閉態(tài)：如圖4 所示，底板會向另一側移動，支撐板向上運動抬起鞋子，方便鞋柜的運輸架插入鞋子底部。

圖4 關閉態(tài)

2.3 消毒清潔模塊設計

清潔模塊由排風扇、清潔器以及噴淋裝置組成。排風扇為離心式雙向排氣結構，葉片為對稱葉型，在進氣和排氣模式下都能有較高的效率，排氣口尾部有石棉過濾網(wǎng)，吸收排出氣體的異味。在日常生活中，人足分泌的汗液導致鞋子內(nèi)部長時間繁殖各種細菌和真菌且鞋子內(nèi)部潮濕，會助長細菌滋生[7]。因此，有效的排風是很重要的。

深度學習研究逐漸從宏觀概念向技術支撐下的深度學習轉變 從研究內(nèi)容轉變上看，由2005年開始的深度學習概念的引入，到2012年教學策略、問題解決，再到2014年翻轉課堂、MOOC、SPOC等技術在深度學習研究中的應用，可以看出深度學習從概念模式向基于技術的深度學習研究轉變，眾多研究立足于如何使用當代技術促進深度學習的發(fā)生，提高學生的核心素養(yǎng)。

噴淋裝置由1 臺有刷電機水泵和其支撐架組成，預期可以通過噴灑酒精或者噴淋空氣清新劑等液體來減少鞋柜內(nèi)部的異味[8]。

清潔器由無刷云臺電機、連接臺、柔性滾動清潔器、旋轉臺以及舵機擺動器等組成。

清潔過程（如圖5 所示）如下：在放入鞋子前，清潔器處于最高狀態(tài)，以確保鞋子順利放入，鞋子由高精度X-Y工作臺放入清潔模塊中，同時排風系統(tǒng)開始工作，確?？諝饬魍?，鞋子完全放入后，清潔器開始向下偏轉直至與鞋壁貼緊，然后云臺無刷電機開始工作，帶動柔性滾動清潔器轉動 ，滾動清潔鞋體表面，根據(jù)清潔需要選擇是否噴淋清潔溶液。

圖5 鞋子進入清洗器的過程

2.4 智能控制模塊設計

控制系統(tǒng)的核心是STC89C52 單片機，STC89C52 是一款低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器[9]。針對每個鞋位是否有鞋的檢測，在每個鞋位制作一個簡易的壓力開關，利用矩陣鍵盤掃描原理對每個鞋位是否有鞋進行檢測。針對控制運輸板的運動，使用2 臺步進電機在平面內(nèi)對運輸架進行控制。通過2 個步進電機轉不同的圈數(shù)控制運輸架到達鞋架的任意位置。鞋托上會有2 個光電門，通過記錄經(jīng)過幾個標志物來判斷此時運輸架的位置。部分電路圖和程序代碼如圖6 所示。

圖6 PCB 板電路圖

對模塊的設計來說，該文將在已有數(shù)據(jù)的基礎上對實物的結構進行分析。

人機交互面板設計，晶碼管控制面板設置9 個數(shù)字按鍵（1、2、3、4、5、6、7、8 和9）、4 個功能（除臭、烘干、紫外殺菌和除塵）以及2 個按鍵（確定、取消）。如果用戶在脫鞋后想對鞋進行功能處理，只需要按相應的功能按鍵，再單擊確定即可。如果沒有操作，就等待一定時間，運輸架會自動將鞋運送至空位。

取鞋的方式有2 種，一是直接從鞋架上拿取，二是按數(shù)字按鍵輸入鞋位編號，再按確定按鍵。等待鞋處理完后，直接可在取鞋位穿鞋。按相應的按鍵晶碼管進行顯示，以便用戶操作。

3 智能鞋柜的結構分析

3.1 易損結構受力分析

鞋子種類多種多樣，該團隊進行充分調(diào)查，結果顯示，平均每雙鞋的質(zhì)量為0.611 5 kg。為了校驗脫鞋裝置和運輸板工作時的受力情況，按照1 ∶1 的比例制作了仿真模型并進行受力分析。

首先，將建立的脫鞋機構基體三維模型導入SolidWorks軟件并利用simulation 進行有限元分析，假設下部與軌道接觸的部位為固定支持，鞋柜底面對其下部施加20 N 的支持力，彈簧槽處與彈簧接觸處分別為8 N 的集中力，各連桿與基體連接處為10 N 的集中力。其次，劃分網(wǎng)格，求得基體總應變最大為0.266 mm，位于基體前端直角連接處，滿足強度要求。該仿真模型得到的最大應力為0.36 MPa，前端直角連接處的應力最大，在實際生產(chǎn)中應給予局部加強。

3.2 空間利用率分析

根據(jù)大部分用戶需求，每個鞋位尺寸設定為240mm×320mm×150mm（可根據(jù)需求適當更改），每層設置4～5 個鞋位，正常鞋柜設定為8 層即可滿足正常家庭的需求，此時鞋柜尺寸為1.25m×0.40m×1.60m，與正常鞋柜大小相仿，由于該鞋柜為自動機械取鞋，因此可以增加層數(shù)。

4 智能鞋柜的數(shù)據(jù)核算

4.1 齒輪齒條機構的核算

實際鞋位架為2 層，每層滿載時的鞋數(shù)量一致?，F(xiàn)假設鞋的平均質(zhì)量相等，因此僅需要校核任意一層。當某一層放置滿鞋時（5 雙鞋），每雙鞋平均重量為611.5 g 且每層鞋位架質(zhì)量為2 kg，當任意一層滿載時鞋架總質(zhì)量如公式（1）所示。

4.1.1 幾何參數(shù)

齒輪齒數(shù)Z=20，齒寬b=20 mm。

4.1.2 強度計算

由于齒輪齒條運行環(huán)境為低速低載荷，因此只需要考慮齒輪齒條的強度即可，強度如公式（2）所示。

式中：σf為齒輪齒條的強度；K為載荷系數(shù)；T1為小齒輪的轉矩；YFa載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù)；YSa為載荷作用于齒頂時的應力修正系數(shù)；b為輪齒寬度；z1為小齒輪齒數(shù)；m為模數(shù)。

由于選用大扭矩360°舵機，齒輪所承受的沖擊較為均勻，因此載荷系數(shù)K=1.2。查表得齒形系數(shù)YFa=2.93，應力修正系數(shù)為YSa=1.56，齒寬系數(shù)φd=0.8，那么就有公式（3）～公式（5）。

式中：[σF]為許用彎曲應力。

綜上所述，可以得到公式（6）、公式（7）。

該文選擇的齒輪的材料為45號調(diào)制鋼，它的σF=450 MPa，根據(jù)鞋柜的工作情況，取SF=1.3，解得m≥0.3，綜合結構尺寸考慮，取m=1.5。

4.2 電能消耗的核算

該智能鞋柜采用家庭常用的220 V 交流電供電，用電設備為STC 8951 芯片、TFTLCD 電容屏、3 套42 步進電機、14 個SG5010 舵機以及2 個無刷電機。STC 89C51 芯片運行功率較小，可忽略不計。

TFTLCD 電容屏的功率如公式（8）所示。

3 套42 步進電機的功率如公式（9）所示。

14 個SG5010 大扭矩舵機（運動狀態(tài)）的功率如公式（10）所示。

2 個無刷電機的功率如公式（11）所示。

機器運行最大總功率如公式（12）所示。

5 結語

該文設計了一款獨特的智能鞋柜，將X-Y工作臺的理念應用在鞋柜上，使取/放鞋更方便、更便捷。該智能鞋柜的控制核心是STC89C52 單片機，可以有效地控制鞋柜的各種功能。該文設計的智能家居鞋柜功能齊全，抗干擾能力強，具有較強的自動控制系統(tǒng)和良好的使用周期，改善了傳統(tǒng)鞋柜的不足，實用性更高。