基于STC89C51單片機的智能殺菌除臭鞋柜設計

天津職業技術師范大學 李嘉寧 成 丹 董 璐 李 昂 何祝媛

本文設計了一款基于單片機的智能殺菌除臭鞋柜。選用STC89C51單片機作為系統主控芯片，采用DHT11溫濕度傳感器采集柜內環境數據，由LCD1602液晶模塊實時顯示鞋柜內部的溫濕度。控制繼電器驅動風扇模塊轉動，達到去除異味的目的。紫外線殺菌模塊則利用紫外線在波長為253.7nm時殺菌作用最強的原理，實現殺菌功能。與傳統鞋柜相比，該鞋柜不僅具有合理收納的功能，還加入了測量顯示溫濕度、殺菌除臭等功能，成本低廉，實用性強，具有廣闊的應用前景。

隨著人們對家居環境和鞋類護理的日益重視，一個巨大的鞋收納和鞋護理市場由此形成。傳統鞋柜每年的需求量至少在200萬臺以上，這些鞋柜除了在普通家庭使用外，還用于賓館、游泳館、足浴堂等各種場所。傳統的鞋柜功能單一，容易滋生各種細菌，殺菌消毒較為困難，遠遠無法滿足現代社會環境下的疫情防控、殺菌消毒、智能顯示等需求。與此同時，人們生活質量越來越高，足部醫療護理及衛生防控的需求不斷增加，智能鞋柜也開始逐步進入家庭，代替現有的傳統鞋柜，不僅家庭需要，醫院、游泳館等公共場所也亟需更適合大眾需求的多功能智能鞋柜，這些場所都是智能鞋柜潛在的市場，前景十分廣闊。國內外已有一些創意除臭鞋柜出現，但價格昂貴，在結構設計和功能的多樣化上仍然有進一步優化的需求和空間。

本文設計了一款智能殺菌除臭鞋柜，采用單片機為核心控制器件，分模塊進行控制，可實時顯示柜內溫濕度環境，進行殺菌除臭，保持柜內良好的空氣環境，可以有效的對真菌的傳播進行抑制，滿足人們對鞋柜多方面的需求的同時，成本低廉，實用性強。

1 系統總體設計

智能殺菌除臭鞋柜采用STC89C51單片機作為核心微控制單元，其余單元由降溫通風模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊和紫外線殺菌模塊組成。風扇可以進行通風除臭；溫濕度采集模塊采集鞋柜內部溫濕度數據，經過單片機處理完數據后發送給顯示模塊；顯示模塊不僅可以實時顯示內部溫濕度環境，還可以顯示當前時間，起到時鐘功能；紫外線殺菌模塊定時給鞋柜內部殺菌消毒。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統結構設計

2.1 主控模塊選擇

設計模塊的選擇有單片機系列與FPGA控制兩種。FPGA屬于可編程陣列，可以進行多線程處理，運行速度特別快，設計思路很清晰，但價格成本比較高昂。與FPGA相比，單片機也可以滿足本設計要求，指令編寫比較簡單，最小系統和外圍電路搭建相對比較容易，對IO口的操作和程序少些也方便，價格比較低廉，可以降低成本。通過對兩種控制模塊進行充分的對比，在完成設計要求的基礎上，為了進一步降低成本和提高設計效率，選擇使用單片機作為控制模塊，最終確定的型號為STC89C51。

圖3 溫濕度模塊管腳連接圖

圖4 溫濕度采集及顯示模塊電路圖

圖5 紫外線殺菌模塊電路圖

2.2 降溫通風模塊設計

降溫通風模塊電路圖如圖2所示。該模塊采用ULN2003，該模塊設計簡單，容易上手學習使用，同時應用范圍廣，使用非常方便。降溫通風模塊在整體設計中起通風降溫除濕的作用，與此同時可以凈化柜內空氣。當鞋柜中有異味產生時，單片機可控制繼電器開啟風扇，進行除臭。在檢測到溫濕度數據異常時，亦可以打開風扇進行降溫通風。

2.3 溫濕度采集及液晶顯示模塊設計

溫濕度采集模塊選用DHT11，該模塊具有體積小，功耗低的優點。在設計中，溫濕度模塊DHT11第三管腳懸空放置，其余管腳連接情況如圖3所示。該模塊可實時采集顯示鞋柜內部溫濕度，當鞋柜內部溫濕度值超過設置的最大閾值時，指示燈亮起，提醒使用者及時開啟風扇降溫通風，不僅方便智能，為鞋類護理也提供了良好的環境。

具體的溫濕度采集及顯示模塊電路圖如圖4所示。選用LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊，此模塊在系統應用中最為普遍且控制較易，價格低廉。LCD1602的外圍電路相對簡單，采用軟件譯碼動態顯示。若使用串行傳輸數據進行顯示，其更新數據顯示的速度就會變得特別慢，不符合本設計的要求。因此采用并行數據傳輸顯示，此方法具備的優點為：若是單片機的使用端口僅需增加一組I/O口，通過RS、RW、EN進行控制液液晶屏的顯示狀態，并行數據顯示傳輸速度快，數據更新快，同時功耗較低。

2.4 紫外線殺菌模塊設計

紫外線殺菌模塊電路圖如圖5所示。

紫外線殺菌模塊具有手動、自動兩種調節模式。當電路處于手動模式下時，使用者按下相應按鈕，手動控制紫外線燈開、關，在紫外線燈開啟后，若檢測到鞋柜門打開，光敏電阻可控制調節燈變暗，以防有人經過鞋柜時，受到紫外線的強光照射。當電路處于自動模式下時，特別設計HC-SR501紅外感應模塊，該傳感器能對人進行實時監測，采集數據，發送給單片機，單片機通過反饋的距離參數來判斷是否有人經過，進而達到控制紫外燈開關的目的，從而避免紫外線對于人體的傷害。人體紅外傳感器有兩種觸發模式，本設計選用可重復觸發模式，感應輸出高電平后，檢測到人體紅外，會保持當前狀態，直到檢測人體離開才變為低電平。

結論：本文實現了基于STC89C51單片機的殺菌除臭鞋柜的設計與制作。通過測試，該鞋柜可以可靠地實現柜內環境溫濕度的測量與顯示、殺菌除臭和通風報警等功能，完成了最初的設計目標。與傳統的鞋柜相比，本設計更加智能便捷，為用戶提供更好的生活體驗，有廣闊的應用前景。