基于51單片機的自動存取式鞋柜設計

文韜 張永琦 鄒清源 張超

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0.引言

現如今，人們對日常家居智能化、自動化的要求越來越高[1-3]。經過市場調研和分析，并根據現代化智能家居的要求，對解決鞋子的自動存取，智能存取等問題進行了適合于家用的智能鞋柜的設計。鞋柜以實現快速、方便、占用面積小為目的，力圖實現結構緊湊、操作方便、價格低廉。

1.總體設計

鞋柜總共包含三大機構：同步帶機構、機械抓手和拖鞋收納機構。其中同步帶機構負責機械抓手水平和豎直移動，從而實現鞋子在鞋柜內部的二維運動。機械抓手主要是由齒輪齒條機構改變而來，同時實現對鞋子的“抓”與“放”。拖鞋收納機構則由電動推桿和滑軌滑塊組成，電動推桿的伸縮運動帶動滑軌滑塊機構前后運動，從而實現拖鞋的自動存取。

控制系統根據單片機控制原理技術，采用STC89C51芯片進行控制[4]，C語言程序編程，并使用了LCD顯示屏、霍爾傳感器、執行模塊、電機驅動模塊等電氣元件，使得鞋柜更加智能化。

該智能鞋柜基于家庭中的、立體的、多層的全自動智能鞋柜，設計過程中充分考慮了鞋子、房間的實際尺寸要求，主體為封閉式長方體結構，一次可容納12雙常見鞋子。設計中根據鞋子尺寸和房間大小的要求采用長方體結構，以托盤和傳動裝置為載體[5]，利用機器手和傳感裝置實現托盤的自動升降、水平移動、鞋子抓取和類型識別，完成鞋子的快速分揀和智能存放。與傳統鞋柜相比，具有有效利用空間、智能存取、準確、快捷、方便等特點，滿足了家用多種鞋子的存取要求，具有創新性。

2.工作原理

鞋柜正面透明，分為3層，一層存放拖鞋，二層和三層存放其他不同高度的鞋。在未工作時，裝置處于靜止狀態。

拖鞋的自動存取：當用戶走到鞋柜附近時，通過控制系統的識別，發出指令，電動推桿結構示意圖如圖1所示，在電機的驅動下伸長，從而帶動一層門板下翻，將一層整體彈出，用戶即可選擇所需的拖鞋。取鞋完成后，門板在電動推桿的帶動下恢復原狀。拖鞋收納機構結構示意圖如圖2所示。

圖1 電動推桿結構示意圖

圖2 電動推桿結構示意圖

其他鞋的自動存取：用戶通過鞋柜上的控制面板，選擇適當的位置，電機驅動水平和豎直的同步帶運動，將機械抓手移動至對應位置。然后，機械抓手在電機的帶動下對鞋進行抓取。

2.1 機械抓手移動過程

用戶選擇需要的鞋之后，電機先驅動水平同步帶運動，將機械抓手移動至左側豎直通道內，如圖1～圖6所示，此時水平電機停止工作。然后，電機再驅動豎直同步帶運動，從而帶動水平同步帶整體上下移動。機械抓手移動機構結構示意圖如圖3所示。

圖3 機械抓手移動機構結構示意圖

2.2 機械抓手抓取過程

當機械抓手移動至指定位置以后，電機驅動齒輪齒條，使機械抓手下降至合適位置，舵機控制機械抓手開合的角度，從而將鞋子抓住。然后，機械抓手在齒輪齒條的控制下上升，抓取過程完成，機械抓手和齒條的結構示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 機械抓手結構示意圖

圖5 機械抓手結構示意圖

3.控制系統

本控制系統的系統原理圖總共分為5大部分，它們分別是執行模塊、電源模塊、控制模塊、檢測模塊。其系統原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統

3.1 執行模塊

傳動模塊包含四個部分，由三個部分可升降鞋柜結構實現既定功能，由移動機構、機械爪手和驅動電機組成。用戶選擇需要的鞋之后，電機先驅動水平和豎直同步帶運動，將機械抓手移動至左側豎直通道內，送到預先設置的位置。

3.2 檢測模塊

檢測模塊通過霍爾傳感器檢測鞋子的位置，當鞋成功放在合適的位置后，給控制模塊發送鞋子的位置信息，執行機構中的機械手回到原來的位置，執行機構停止工作。

3.3 控制模塊

控制模塊主要是用于處理系統的所有數據同時控制執行機構完成指定功能，通過單片機給控制實現控制功能。根據單片機控制原理技術，本控制系統采用STC89C51芯片進行控制，C語言程序編程，并使用了LCD顯示屏、霍爾傳感器、執行模塊、電機驅動模塊等電氣元件。

3.4 電源模塊

電源模塊主要是將高電壓轉換成為我們所需要的電壓為系統供電。

4.結語

本文設計的智能鞋柜，采用51單片機實現自動存取鞋，開發過程易于上手，設計新穎，隨著萬物互聯時代的來臨及5G技術的發展，有利于實現所有家居智能化。