基于感知的溫控奶箱設(shè)計

□沈 歡 朱洪飛 錢超義

目前，一般用塑料或者鐵皮作為制作奶箱的材料，它不具有保溫功能，牛奶會因環(huán)境溫度升高或較長時間沒被用戶取走等因素發(fā)生變質(zhì)。一般的制冷手段都是壓縮式制冷，體積大、能耗高且制冷劑對環(huán)境也有一定的污染，并不適合奶箱的保鮮制冷，針對此問題，本文介紹了一種基于感知的半導(dǎo)體制冷奶箱，它可以根據(jù)實際情況，智能化地對牛奶進行制冷，保證其新鮮度;并利用射頻識別技術(shù)對牛奶送、取的管理進行了優(yōu)化。本奶箱采用arduino單片機作為控制核心，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。它適用于各種不同基礎(chǔ)的人群，編程語言簡單易學(xué)，與其他軟硬件有著很好的兼容性。

一、硬件組成總體方案設(shè)計

表1 各個模塊名稱及功能

一是設(shè)計奶箱的整體邏輯框架，利用Arduino單片機的開源硬件，綜合前人的代碼編寫，進行修改、添加，在面包板上試驗達(dá)到預(yù)想的效果。二是制作電路板并測試，使得整個系統(tǒng)實現(xiàn)功能。三是制作實物模型，將電路板和整個傳感器進行聯(lián)調(diào)。整個邏輯框架主要包含以下的八個模塊(見表1)。

二、安裝調(diào)試

(一)安裝注意事項。

1．奶箱組裝。奶箱組裝就是把溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊、電路機模塊等組裝成一套完整的奶箱(如圖1所示)。

圖1 智能奶箱硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2．接線連接。接線連接就是用導(dǎo)線連接溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊和電路機模塊。注意電源接線不能接反，否則容易燒毀器件，不同器件的接線方法也不一定相同。

(二)調(diào)試注意事項。

1．OLED調(diào)試。對于OLED調(diào)試，需要將所需顯示的字通過取字模軟件，轉(zhuǎn)換成16進制的數(shù)據(jù)，存放在數(shù)組中，然后調(diào)用OLED顯示程序進行顯示。

2．ds18b20溫度傳感器調(diào)試。對于ds18b20溫度傳感器，在本文中我們只用到了其中的兩根線，分別是中間的數(shù)據(jù)線和地線，其接線圖如圖2所示。

圖2 ds18b20溫度傳感器接線圖

3．RFID調(diào)試。對于RFID調(diào)試，只需要將SCK、MISO、MOSI、SDA(在RC522中即為CS)、RST這幾個引腳與單片機相應(yīng)的6、7、8、9、A3接口進行相連就行。其他多余的引腳可以懸空，從而可以節(jié)省單片機有限的引腳資源。

4．TCRT5000紅外對管收發(fā)調(diào)試。TCRT5000紅外對管收發(fā)管調(diào)試時，需要用到單片機的模擬口進行數(shù)據(jù)的采集。然后將采集到的數(shù)據(jù)量化成相應(yīng)的電壓值，通過判斷反射不同的電壓數(shù)據(jù)值來進行鑒別。其接線圖如圖3所示。

圖3 TCRT5000接線圖

圖4 溫控奶箱工作流程圖

三、系統(tǒng)整體功能

整體功能流程(如圖4所示):送奶員刷卡把牛奶放入奶箱后，光電傳感器會檢測到奶箱內(nèi)已經(jīng)放入牛奶，此時溫度傳感器開始對奶箱內(nèi)的溫度進行采樣，并與設(shè)定的溫度進行比較，如果箱內(nèi)溫度高于設(shè)定的溫度，半導(dǎo)體制冷片就會自動開啟制冷;當(dāng)用戶取出牛奶后，系統(tǒng)會感知到奶箱內(nèi)已經(jīng)沒有牛奶，就會自動停止制冷，實現(xiàn)了只有在奶箱內(nèi)有奶且溫度高于設(shè)定溫度才會開啟制冷的效果。不僅保證了牛奶的新鮮，而且達(dá)到了節(jié)約能源的效果。溫控奶箱的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其工作原理為:當(dāng)RFID感應(yīng)器被射頻卡喚醒后，就將射頻卡的卡號和單片機內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)進行比較，若卡號相同，則單片機給繼電器2端口上電，繼電器吸合，外部電源給電磁鎖供給12V電源，使得電磁鎖得電吸合，奶箱門打開。當(dāng)送奶員將牛奶放入箱體內(nèi)后，光電傳感器發(fā)出的光遇到牛奶外殼后反射，給單片機返回一個高電壓值，單片機就能判斷牛奶已經(jīng)放入箱體，從而給繼電器1端口上電，繼電器吸合，外部電源給帕爾貼供給12V電源，帕爾貼開始制冷。在整個過程中，溫度傳感器不間斷地采集箱體內(nèi)的溫度，通過奶箱門上的液晶顯示屏顯示。

四、關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

(一)奶箱散熱的實現(xiàn)。奶箱的外殼使用了鋁制外殼，利用金屬鋁的導(dǎo)熱特性來進行散熱，箱體的制冷內(nèi)膽和外殼加上絕緣處理，使得制冷所制造的熱量能及時通過大面積的鋁殼散出去，從而達(dá)到很好的節(jié)能和制冷效果。我們通過溫度傳感器可以非常精確地實時監(jiān)控箱體內(nèi)的溫度，從而更好地給牛奶保溫。考慮到鋁制外殼周圍溫度較高的時候，無法實現(xiàn)自發(fā)散熱，在外殼的頂部另加了一個散熱片，并通過風(fēng)扇將熱量強制性散去。

(二)整體模塊穩(wěn)定的實現(xiàn)。整體功能要把溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊等組裝成一個完整的系統(tǒng)，然后進行系統(tǒng)性的聯(lián)調(diào)。對于單一模塊的調(diào)試比較簡單，但是一旦將整個系統(tǒng)的各個模塊都合并起來就變得復(fù)雜起來，要考慮各部分之間的相互影響。經(jīng)過不斷的調(diào)試，預(yù)想功能得到了實現(xiàn)，但系統(tǒng)也僅在室內(nèi)進行調(diào)試，能達(dá)到穩(wěn)定工作的效果，相對于比較復(fù)雜的外部環(huán)境來說，我們并沒有進行全面的實驗。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)不僅要考慮軟件上的問題，更多要考慮硬件上的一些復(fù)雜問題，這里面有許多和物理相關(guān)的知識，例如金屬的導(dǎo)熱性、散熱的條件、還有一些更加復(fù)雜的電磁感應(yīng)、靜電屏蔽等問題。

五、結(jié)語

多功能奶箱利用制冷半導(dǎo)體制冷以降低箱內(nèi)溫度，實現(xiàn)了箱內(nèi)溫度的可選擇性，使牛奶在天氣炎熱時保持新鮮和營養(yǎng)。并能有效節(jié)約大量能源。以前的奶箱多以機械鎖為主，此項目中使用RFID電磁鎖使奶箱更加安全，用戶和送奶工開啟也更加方便。該控制系統(tǒng)具有高度智能、綠色節(jié)能，且性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

［1］郭天祥．51單片機c語言教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008

［2］楊志忠．?dāng)?shù)字電子技術(shù)［M］．北京:高等教育出版社，2008

［3］丁鎮(zhèn)生．傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用［M］．北京:電工業(yè)出版社，2000