基于單片機的智能烘鞋器控制系統(tǒng)設(shè)計*

郭開璽，張占東，石轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

(山西大同大學 機電工程學院，山西 大同 037003)

0 引言

我國人口眾多，多數(shù)人或多或少患有腳部真菌類疾病，尤其是長期生活在天氣潮濕、經(jīng)常下雨地區(qū)的人們。腳部的皮膚類疾病大多由真菌的滋生所導(dǎo)致，鞋內(nèi)相對封閉的潮濕環(huán)境是最有利于產(chǎn)生真菌的。對于真菌類疾病的治愈過程非常繁瑣，就目前來看，最有效的方法就是保持鞋內(nèi)衛(wèi)生，始終保持鞋內(nèi)干燥，定期對鞋內(nèi)進行殺毒滅菌，使用烘鞋器可以達到這一目的。已有的烘鞋器大部分功能較為單一，很少有將恒溫、滅菌、定時[1]等功能集為一體的智能烘鞋器，因此研究一款多功能的智能烘鞋機具有重要的實際意義和經(jīng)濟價值。

代云龍等[2]研究設(shè)計了一種基于單片機的具有定時功能的快速烘鞋器控制系統(tǒng)，該設(shè)計僅是對具有簡單烘鞋功能的烘鞋器進行了功能提升；崔榮華等[3]研究設(shè)計了一種可檢測濕度的自動斷電烘鞋器。上述這兩種烘鞋器的功能比較單一，并且均不具備殺菌功能。

鑒于已存烘鞋器控制系統(tǒng)功能不全面這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計了具有定時、恒溫、滅菌功能的智能烘鞋機控制系統(tǒng)。

1 智能烘鞋機控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

智能烘鞋機控制系統(tǒng)需要具備的功能如下：

(1)液晶顯示功能。

(2)定時功能。

(3)恒溫控制功能。

(4)按鍵控制功能。

(5)自主報警功能。

控制系統(tǒng)整體設(shè)計思路為：采用獨立的+5 V電源給單片機STC89C51供電，并在電源電路中加入開關(guān)用于控制單片機得失電；用四個獨立式按鍵組成按鍵模塊來對系統(tǒng)進行控制信號輸入；通過使用DS18B20接入上拉電阻構(gòu)成測溫模塊來實時采集溫度數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)部；用蜂鳴器進行報警，當檢測溫度超出設(shè)定溫度時便發(fā)出警報[4]；采用繼電器驅(qū)動模塊充當外接負載的控制開關(guān)控制臭氧發(fā)生器和加熱片的通斷；通過液晶顯示器進行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。智能烘鞋機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能烘鞋機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能烘鞋器控制系統(tǒng)硬件主要包括獨立式鍵盤模塊、報警模塊、基于DS18B20溫度傳感器的溫度采集模塊、基于LCD1602顯示屏的液晶顯示模塊以及驅(qū)動模塊，其連接電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接電路

硬件系統(tǒng)的工作原理如下：首先按下電源電路中的總開關(guān)按鈕，單片機得電，之后采用按鍵模塊中的設(shè)置/停按鈕切換定時時長和設(shè)定恒溫范圍，通過加減按鍵對以上參數(shù)進行設(shè)定，其設(shè)定的參數(shù)值均在顯示屏上顯示，設(shè)定完畢后按下確定鍵，此時系統(tǒng)的繼電器模塊、氣泵動作，其繼電器外接加熱片及臭氧發(fā)生器得電開始工作，工作過程中DS18B20傳感器實時檢測熱氣流溫度，并通過顯示屏顯示，當檢測溫度超出溫度設(shè)定上限時，觸發(fā)蜂鳴器動作，發(fā)出警報。

2.1 獨立式鍵盤模塊

采用獨立式按鍵的設(shè)計方案，即直接將按鍵與I/O口連接。每個按鍵都各自對應(yīng)一個I/O口，從而避免相互影響，按鍵的輸入均是低電平有效。按鍵的軟件設(shè)計為查詢式結(jié)構(gòu)，即一一查詢I/O口的輸入狀態(tài)，當有一接口輸入為低電平時，則此接口所對應(yīng)的按鍵已經(jīng)按下，之后，再轉(zhuǎn)到其對應(yīng)的功能程序。

該設(shè)計電路中按鍵K1的功能為設(shè)置和停止，在開始工作前按下此鍵可以對溫度和時間進行調(diào)節(jié)，當開始工作后按下此鍵可以使烘鞋機停止工作；按鍵K2和K3分別對應(yīng)“加”和“減”功能，主要調(diào)節(jié)時間的長短和溫度的范圍；按鍵K4為確定按鍵。

2.2 警報模塊

當溫度傳感器感應(yīng)溫度超出上限時，就會觸發(fā)警報，蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警[5]。本設(shè)計選擇NPN型三極管來控制蜂鳴器的得電或失電，三極管的基極需通過限流電阻與單片機引腳連接。當所接引腳輸出高電平時，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器和發(fā)光二極管得電，從而發(fā)出聲光警報；當所接引腳輸出低電平時，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出警報。

電路中電阻R14和R15均為限流電阻，其中電阻R14是為了防止三極管基極電流過大導(dǎo)致三極管燒壞而接入；電阻R15是為防止發(fā)光二極管因電流過大而被損壞。

2.3 溫度采集模塊

DS18B20有3個引腳，其測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，測溫分辨率非常低，完全可以滿足測量鞋內(nèi)氣流溫度的要求；其工作電壓為3 V～5 V,分辨率設(shè)置及設(shè)置的警報溫度儲存在EEPROM中，掉電后仍然得以保存[6]。故選用DS18B20溫度傳感器實時采集鞋內(nèi)溫度，其與單片機連接時需在兩者之間接上一個4.7 kΩ的上拉電阻R16來增大它的驅(qū)動電流，從而確保傳感器能夠正常工作[7]。

2.4 液晶顯示模塊

依據(jù)LCD1602液晶顯示屏的工作原理，選擇100 kΩ的可調(diào)電阻VR1來調(diào)節(jié)液晶亮度?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與設(shè)定的參數(shù)均可在LCD1602液晶顯示屏上顯示。

2.5 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用驅(qū)動繼電器的方式控制外接負載[8]。繼電器由NPN晶體管控制，其線圈要接到集電極和正電源之間。當輸出為低電平時，三極管截止，線圈失電，繼電器釋放；當輸出為高電平時，三極管飽和，線圈得電，繼電器吸合。

電路中續(xù)流二極管D1、D2實際工作是釋放繼電器線圈放電電流，因為線圈是一個電感元件，在電源突變時會有反電動勢，而這個反電動勢的峰值可達到電源電壓的10倍以上，故需加續(xù)流二極管保護三極管。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件由主程序和子程序所組成，其主控制器的子程序包括測溫程序、按鍵設(shè)置程序以及LCD1602顯示程序等。首先主程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，然后再循環(huán)調(diào)用其他子程序，通過標志位和判斷標志位實現(xiàn)對有關(guān)事件的處理?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程

采用測溫程序可以檢測烘鞋器中氣泵吹出熱氣流的溫度，并在液晶顯示器上顯示熱氣流的實時溫度，當所檢測的溫度超出預(yù)設(shè)溫度時，就會觸發(fā)蜂鳴器聲光報警系統(tǒng)。測溫程序流程如圖4所示。

圖4 測溫程序流程

4 結(jié)論

為解決烘鞋器功能不完善，使烘鞋器實現(xiàn)多功能、智能化，設(shè)計了一種基于單片機的智能烘鞋器控制系統(tǒng)。對于所設(shè)計控制系統(tǒng)，利用Proteus軟件進行調(diào)試修改，通過焊接控制系統(tǒng)電路板進行了實際的操作驗證，并得到了以下結(jié)論：

(1)烘鞋器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)可靠穩(wěn)定運行。

(2)烘鞋器控制系統(tǒng)集恒溫設(shè)定、定時、報警以及溫度檢測多種功能于一體，功能相對完善。

(3)智能烘鞋器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)人機交互，方便使用。

綜上所述，本智能烘鞋器控制系統(tǒng)具有功能完善、安全性好、可靠性高以及易操作的特點。