一種智能傘筒的設計＊

王貴晨，胡深奇，周 陽，全 騏，張靜怡

（西北工業大學，陜西 西安 710129）

1 設計背景

傘筒是一種比較典型的傘具收納裝置，常見于公寓、各大商場、圖書館、咖啡廳等場所，用于傘具的收納以及干燥，給用戶帶來便利。目前市面上常見的傘筒主要有以下問題：使用效率很低；自然瀝干需要很長時間；占用空間大且不美觀；無法保證傘具存放的安全性，錯拿、偷拿等情況經常出現。

本設計擬開發的智能化存取與智能管家功能依托物聯網技術，個性化地為客戶提供服務，通過利用二維碼、傳感器等系統獲取用戶使用相關信息；與互聯網融合，將存儲信息實時傳遞給用戶；利用智能處理系統對用戶的信息進行監控、處理以及管理。

2 功能設計

本設計的基本功能如圖1 所示。

圖1 功能流程圖

存入：傘筒顯示存儲未滿時，用戶選擇屏幕面板上存入選項，智能傘筒隨機生成一個與對應空夾頭匹配的二維碼，用戶需保存二維碼，選擇保存完成選項。步進電機帶動傘筒內筒旋轉，將相應夾頭置于開口處，用戶打開傘筒側門將傘具傘柄處置于兩夾頭之間，用戶確定傘筒夾頭，將傘具夾住后將側門關閉，完成存入工作。

干燥：側門關閉，步進電機帶動傘筒內筒旋轉至相應位置，加熱片開始加熱，風扇開始運作加速傘具干燥，內置溫度計對筒內溫度進行實時監測，確保筒內環境處于所設定的恒溫狀態，加快傘具干燥。

取出：用戶選擇屏幕面板上取傘選項，并展示存傘時保存的二維碼，顯示屏會根據相關數據給出還需干燥的時間，并詢問是否現在取傘或繼續干燥，用戶選擇取傘，智能傘筒根據夾頭上特定的二維碼確定對應夾頭位置，步進電機帶動傘筒內筒進行旋轉，將相應夾頭置于開口處，用戶取出傘關閉傘筒側門，該二維碼作廢，完成取傘操作。

精確倒水：系統會在顯示屏上顯示出水槽內的水位高度，達到傾倒水位線時提醒用戶倒水。

智能管家：本設計可以聯網，根據系統內匹配的軟件進行天氣預報等操作。

3 傘筒結構設計

傘筒渲染圖如圖2 所示。傘筒結構拆分圖如圖3 所示。

圖2 傘筒渲染圖

圖3 傘筒結構圖

3.1 底座設計

底座整體分為兩部分，即集水儲水部分和加熱烘干部分。集水儲水部分由基座和儲水槽組成，其中基座上開有漏水孔，主要目的是收集由上部懸掛的雨傘滴落的雨水。加熱烘干部分由風扇、加熱片、加熱片固定殼組成，風扇吹出的冷風經過加熱片之后通過固定殼上部的出風口吹出；在固定殼上部風口處有溫度傳感器，用于控制加熱片的開關，以免溫度過高燃燒雨傘。

3.2 外筒設計

外筒主要由柱形筒壁和底座組成，是整個智能傘筒裝置的外殼。為平穩放置傘筒，底座的面積應略大于筒壁，起到穩定作用。筒壁側面上下對稱安裝有兩個門框，二者之間裝有一側門裝置，通過若干個6 mm 滾珠傳動實現門的開、關，從而達到存取雨傘的目的。

3.3 中間支撐

中間支撐主要由支撐支座和支撐下連接組成，支撐支座以螺釘連接的方式與傘頂裝置中的傘架相連，支座下方對稱安裝有四個牛眼輪，當傘架收到指令需要轉動時，支撐支座也隨之轉動；支撐下連接上方通過螺釘與四個牛眼輪相連，下方與內部加熱元件殼相接，主要起到支撐作用。

3.4 內筒設計

內筒主要由頂部步進電機、傘架、擋水板組成。其中傘架上用螺釘連接有若干傘夾和二維碼架，傘夾主要用于放置、固定雨傘，而二維碼架則用于放置與不同傘夾對應的二維碼。由于傘具在放入傘筒時會有雨水存在，同時在烘干過程中也會有水滴飛濺，很容易造成雨水流入風扇和加熱片的電源處，所以在傘頂下方安裝有擋水板，避免造成設備短路。

4 電子控制系統

4.1 主控系統

本系統以STC89C52 高性能CMOS 8 位微控制器作為主控芯片。它具有8 K 字節系統可編程Flash 存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51 內核，并且做了很多的改進，使得芯片具有傳統的51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和可編程Flash。本系統需要用到其I/O 口輸入輸出模塊、PWM 波輸出模塊、總線通訊模塊、定時器模塊等。

4.2 存取系統

存入雨傘時，用戶獲得對應傘夾的二維碼。當需要取出傘筒時，用二維碼掃描模塊掃描二維碼，該模塊讀取二維碼信息后，通過串口通信輸入到STC89C52 主控芯片中，隨后主控芯片對數據進行處理，通過輸出引腳控制步進電機帶動夾頭旋轉。

4.2.1 二維碼模塊

本設計采用了Scanner v3.0 串口嵌入式二維掃描引擎條形碼識別掃碼頭器。該產品具有條形碼、二維碼掃描識別模塊，可以快速準確地讀取紙張、屏幕、塑料等載體上的二維碼。它同時具備低功率和低發熱等特點，冷啟動和熱啟動都可以保持急速開機，并且設置了照明功能，在光線不充足的條件下仍然可以識別二維碼，契合智能傘筒的要求。

4.2.2 步進電機模塊

本系統采用的步進電機由12 V 鋰電池供電，它的轉動則由單片機編程控制。單片機輸出管腳電流一般小于步進電機的驅動電流，不能驅動電機旋轉，因此采用ULN2003 芯片連接單片機驅動步進電機的旋轉。該芯片具有高耐壓、電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統，可直接驅動繼電器等負載。

4.3 干燥系統

本系統采用閉環溫度控制方法，具體為：溫度傳感器對傘筒內部溫度進行實時監控，并將信號傳輸到主控芯片，利用模糊PID 算法對數據進行處理，最后通過H 橋電路控制帕爾貼元件加熱，實現恒溫控制。

4.3.1 帕爾貼加熱模塊

加熱模塊硬件主要由帕爾貼、H 橋控制電路組成。本系統中引入H 橋，對半導體制冷片進行控制，具體原理為：當H橋兩引腳正接電壓信號時，半導體兩端產生正電壓差，制冷片開始加熱（或制冷）；當H 橋兩引腳反接電壓信號時，半導體制冷片電壓反轉，原來加熱（或制冷）的一面開始制冷（加熱）。

4.3.2 溫度采集模塊

本裝置采用18B20 防水型溫度傳感器監測傘筒內恒溫，并通過主控芯片連接顯示屏顯示干燥過程中系統的溫度狀況。

4.3.3 風機散熱模塊

本系統選用5 V 直流散熱風機，其電源由12 V 鋰電池降壓變換得到。主要用于增強傘筒內空氣流通，使傘筒處于恒溫狀態，內部各傘受熱均勻，達到理想的烘干效果。

4.4 水位檢測系統

本系統通過水位傳感器將實時水位信號轉換成為電信號傳遞給主控芯片，主控芯片將軟件中設定的信號與傳輸過來的電信號進行比較。當達到預設值時，主控芯片將倒水信號通過軟件編程傳送至顯示屏，提醒人們水槽已滿，需及時倒水。

5 結語

本文提出的智能傘筒的設計，相比于以往單一功能的傘筒，其功能性更強、應用范圍更廣、智能化程度更高，能夠節約大量人力、物力，提高應用效率，具有很好的應用前景和商業價值。