基于溫度傳感器的智能鞋柜設計

王春燕，段宜亮，李雪松，韓祥森

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著現代人們生活水平和生活質量日益提升，人們對智能家具的需要量愈來愈大，所要求的生活品質也愈來愈高，因此更多的人開始向往著高質量、高水平的家居生活，我們所設計的智能鞋柜是在原來傳統鞋柜的基礎上，根據現代電子技術，智能等先進技術加以更新，增加了原有鞋柜發現的功能，從而大大滿足了現代人類對高品質家居生活的要求。鞋柜能夠根據不同季節智能自動旋轉，并進行殺菌、防潮祛濕、排風等。可以進行時鐘顯示、環境溫度測試、清新空氣等。在日常生活中真菌對人體的傷害很大，會損傷人體皮膚系統，如發生腳氣等。真菌一般生長在免疫力低下、潮濕、溫暖的環境中，本鞋柜通過臭氧消毒技術，可去除異味真菌。可以根據不同季節穿的鞋子，按季節放置于春夏秋冬四個鞋盒里面，根據時間的變化自動旋轉鞋盒的角度。還可以通過語音提示模塊示意人們當天的日期、氣溫，方便出行。同時這款智能鞋柜減少了人們對鞋子安全和衛生的憂慮，能使鞋子在鞋柜中時刻保持衛生，從而減少腳氣等疾病的產生，使人們的生活質量得到大大提高。隨著時代的發展和人民生活水平的不斷提高，人們對鞋的衛生和腳的護理越來越重視。因此，一個巨大的收納鞋子和護理鞋子的市場就形成了。

根據傳感器銷售市場的調查研究，溫度傳感器在所有傳感器中所占最大份額，被廣泛地應用于農業生產、科學研究等重要應用中。因此，一個能夠一直監控溫度并且易于操作的溫度測量傳感產品對工業生產和日常生活有著十分重要的意義。

因此，作為學生創新創業項目的一部分，筆者設計并開發了一個基于溫度傳感器的智能鞋柜。實現了對人們的鞋子的護理以及增強了對腳部健康的重視。

1 系統總體設計方案

該智能鞋柜中使用的溫度傳感器是DS18B20 高精度數字溫度傳感器，它必須使用微控制器輸入/輸出端口模擬單總線同步，與DS18B20 通信并測量環境溫度，將檢測的環境溫度讀取出來，再通過單片機將信號送入到控制器中，由微電腦控制系統控制溫度調節模塊、臭氧發生器和PTC 發熱風循環系統的運行。整個設計由溫度傳感器、單片機、臭氧發生器、DS1302時鐘顯示模塊、智能PTC發熱風循環系統、語音提示模塊、電源組成。如圖1所示。

圖1 總設計方框

本鞋柜以單片機為主要控制器，其他模塊執行相應的功能。使用者可以根據不同的季節將鞋子放在春、夏、秋、冬四種不同的鞋盒中，鞋柜可以通過時間模塊的控制，自動調整鞋盒的角度，實現不同季節鞋子的分類，同時也大大減少了人們在外出前挑選鞋子的時間，使人們的生活得到了便利。它還可以執行一些護理功能，如自動儲存時間、自動消毒、除臭和干燥。

2 硬件設計

系統整體電路圖如圖2所示。

圖2 系統整體電路圖

2.1 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器是一種能夠被廣泛使用的溫度傳感器，它的溫度測量范圍為-55 ℃～+125 ℃，分辨率為0.062 5 ℃，可以滿足大部分情況下溫度測量要求。它主要根據使用場合的不同而改變其外觀。密封后的DS18B20 可用于測量電纜溝的溫度、測量高爐水循環的溫度、測量鍋爐溫度、測量機房的溫度、測量農業大棚的溫度、測量潔凈室的溫度、測量彈藥庫的溫度以及其他不受溫度限制的應用，適用于各種狹窄的溫度測量和數字設備的監控應用。它可以通過9 ～12位二進制輸出直接輸出測量的溫度，而且非常小，對于溫度輸出，它可以由微控制器控制。對于溫度測量，有必要根據溫度分辨率設置不同的轉換時間。如表1所示。

表1 DS18B20 溫度傳感器溫度轉換時間表

DS18B20 實現微處理器與DS18B20 的雙向通信只需要一條口線即可，易于操作。DS18B20 是生活中比較常用的數字溫度傳感器，輸出數字信號，易于讀取，其體積小，抗干擾能力較強，精度高。其內部結構如圖3所示。

圖3 內部結構圖

2.2 臭氧發生器

臭氧發生器利用電離原理釋放臭氧分子，殺死細菌，消除異味，使空氣清新。與氯氣相比，臭氧的工作速度快600 ～3 000 倍。它能在幾秒鐘內殺死細菌、真菌和其他污染物。由于臭氧非常容易分解，而且不能儲存，所以必須在現場使用（在特殊情況下可以短期儲存），這就是為什么在使用臭氧的地方都要使用臭氧發生器。在家庭或私人生活中，與鞋子息息相關的腳臭現象常常被忽視，因為腳臭很容易滋生真菌，如果不加以控制和管理，會導致我們的腳被真菌感染，進而引起腳氣病或灰指甲等疾病。而且真菌具有高度傳染性，在一個家庭中，這些疾病很容易傳播給其他家庭成員。與傳統鞋柜長期不通風、環境陰暗相比，智能鞋柜很好地解決了這個問題。

通過使用臭氧發生器，鞋子在室內被消毒，將用戶的腳保護起來從而免受真菌感染。臭氧發生器產生的臭氧氣體可以直接使用。在對鞋柜內部進行消毒時，過程很慢，必須在室內進行，而且要在鞋柜關閉的情況下，進行60 分鐘的消毒。

2.3 時鐘顯示模塊

鞋柜使用DS1302 時鐘模塊，通過一個三線SPI 接口顯示時間。這使用一個單片機來記錄你想在DS1302 時鐘模塊中顯示的時間，以便它能顯示年、月、日、周和時間。時、分、秒，并有各種功能，如閏年補償。通過DS1302，DALLAS 推出了帶有省電實時芯片的涓流充電功能。利用串行數據傳輸，它可以提供具有斷電保護的可編程電源充電功能，并可禁用充電功能。它還可以提醒用戶當天的時間，方便提醒出行，這就擴展了智能鞋柜的功能，使其更加實用。

2.4 智能PTC 發熱風循環系統

該循環系統的PTC加熱元件具有自動保持恒溫的功能，不需要溫控系統，同時，該系統使用壽命長，工作可靠，多個PTC 加熱元件可以同時使用。智能鞋柜采用PTC 智能加熱風循環系統，可將鞋柜內的溫度調節到35 度左右，有效去除鞋內水分，防止細菌滋生。如果溫度太高，鞋內的膠水會融化，很容易損壞。反之，如果溫度太低，鞋子就會變硬，穿起來就會開裂。當用戶在雨天從街上回家時，鞋子不可避免地變得潮濕。由于這種循環系統，鞋子得到了干燥和除濕。它還能確保用戶在穿鞋時鞋內保持溫暖，這大大改善了用戶體驗。

2.5 進行自動轉換角度功能

鞋柜分為春、夏、秋、冬四個部分，可以放入不同季節的鞋子，四個部分通過時間來區分這四個部分，通過CPU的記憶功能將春（農歷1—3月）、夏（農歷4—6月）、秋（農歷7—9月）、冬（農歷10—12月）的時間儲存，一旦到了一定的時間，鞋柜里的鞋盒自動轉換角度；也可以根據使用者的喜好，通過旋轉按鈕手動調節鞋盒角度位置上。

2.6 STM32F103 芯片

STM32F 系列是意法半導體（ST）推出的中低端32 位ARM 微控制器，采用Cortex-M3 內核，廣泛用于電力電子、電機驅動、應用控制、醫療設備、手持設備、PC 游戲外設、GPS 平臺、完整的控制系統、變頻器、掃描儀、打印機、報警系統、視頻對講加熱和通風系統、空調系統等。該芯片具有功耗低的優勢，可以在睡眠、關機和待機模式下運行。它有兩個內置的12 位模擬數字轉換器，用于轉換所有傳感器和微控制器的數據。此外，它還支持一個外圍的計時器，以方便行程提醒。

2.7 單片機

單片機是一種重要的微處理器，常用于智能電器、通信設備、導航系統、家用電器、工業和其他領域。它不是一個執行特定邏輯功能的芯片，而是一個集成在單個芯片中的計算機系統。它相當于一臺微型計算機；與計算機相比，微控制器只缺少輸入/輸出設備。簡而言之，芯片就可成為一臺計算機。它體積小、重量輕、價格低廉，給學習、應用和開發等提供了便利。一個單片機是一個集成電路芯片。單片機的主要組成部分是CPU、只讀ROM 和RAM。各種數據采集和控制系統使微控制器能夠進行各種不容易的操作，無論是控制算術符號還是計算系統給出的指令。因此，很明顯，由于微控制器強大的數據處理能力和計算能力，它可以被用于廣泛的智能電子設備中。簡單地說，微控制器是形成一個系統的芯片，通過使用集成電路技術將計算和數據處理能力集成到芯片中，實現高速數據處理。單片機結構圖如圖4所示。

圖4 單片機結構圖

2.8 語音提示模塊

鞋柜采用MP3 提示器。其常被應用于單片機控制的語音播放應用；大型工廠、倉庫、樓道出口安全警示；智能小車，電子設計應用；機電設備，電子應用報警，廣告、自動廣播、定時播放消息，設備操作引導語音，語音警告。

該產品的特點有：（1）觸發一次，播放一次；（2）9個觸發端口，直接觸發播放；（3）結合單片機IO 口編碼觸發播放31 首MP3；（4）內部帶3W 功放，滿足大部分應用要求。

參數為：（1） 支持采樣率：8、11.025、12、16、22.5、24、32、44.1、48 kHZ；（2） 支持FAT16/FAT32 文件系統、限大支持16 G TF 卡；（3）DC 5 V 供電，具備2組接口；（4）音量大小可調、簡單旋鈕調節方式；（5）低電平觸發、對地觸發；（6）支持0～2W 4～8 Ω 歐喇叭負載。

3 軟件設計

系統開啟后，會對各模塊進行初始化，以DS18B20 為例，部分核心程序為：

4 競爭優勢及創新點

所設計鞋柜的競爭優勢及創新點有以下幾點：

（1）該設計可以根據不同季節的鞋子，按季節放置于春夏秋冬四個鞋盒里面，通過時間模塊控制自動翻轉鞋盒的角度，方便收納；（2）可實現防霉祛潮的功能，使用智能PTC 發熱風循環系統,從而實現冷凝除濕；（3）語音控制模塊可實時顯示星期、時間，方便提醒出行；（4）利用臭氧的化學特性及微電腦控制系統，產生適度臭氧，對鞋子進行除臭和殺菌防霉處理；同時控制電熱元件間斷地工作，使鞋柜內維持一個合適的溫暖的空間，慢慢地對鞋子進行烘干處理。

5 結論

智能鞋柜符合當下所有人的生活追求，它適合于高檔賓館酒店、美容美發、健身房、桑拿房、洗浴中心、泳池、室內籃球場、大型工廠、學校、實驗室、醫院等各種需要消除真菌、異味、保持潔凈的地方；更適用于廣大普通居民，改善了傳統鞋柜上的不足，實現了生活智能化。