基于STM32控制的自動口罩售賣系統設計

馬文亮 侯寶華 梁麗秀 曹軍 吳汶駿 湯梓涵

基金項目：全國大學生創新項目（塔里木大學）；項目編號：202210757037。

作者簡介：馬文亮（2001— ），男，甘肅天水人，本科生；研究方向：新能源發電技術。

*通信作者：侯寶華（1989— ），男，遼寧葫蘆島人，講師，碩士；研究方向：新能源發電技術。

摘要：隨著國家碳排放和碳達峰總體方案的公布，新能源發電技術逐漸融入工業領域，備受消費者的青睞。文章提出了一種基于STM32單片機控制的節能型自動口罩售賣機，主要由STM32主控電路、移動支付模塊、智能取出貨模塊、超聲波消毒模塊等組成，20 kW光伏發電組件為整套系統提供電能，一定程度上解決了供能的局限性和購買的便捷性。通過仿真實驗、數據分析，得出系統運行誤差在0.5～0.8 s內，整套系統運行效果良好。

關鍵詞：光伏發電；移動支付；超聲波消毒；口罩自動售賣

中圖分類號：TP368 文獻標志碼：A

0 引言

近年來隨著國家重工業的大力發展，我們的生活環境逐漸惡化，空氣中的有害因子不斷增加。環境中的隱藏病毒無聲地危害著人們的健康，新冠病毒來襲使得防護變得極其重要。口罩作為人們最廣泛使用的防護措施，很多人在使用口罩進行防護上存在很多問題，如口罩售賣的途徑、口罩的存貯安全等，人們缺乏利用口罩自我防護的意識，不僅影響自己健康，還影響他人健康［1］。

本文研究了一種運行可靠、操作簡單且實用性強的自動口罩售賣系統來滿足人們的日常生活需求，為人們的安全保駕護航。

1 系統整體設計方案

本設計主要由移動支付模塊、STM32主控模塊、自動補貨模塊（機械臂口罩吸盤裝置）組成，采用內部超聲波消毒和出口紫外線消毒的方式相結合，保證了從口罩售出到用戶手里全程消毒，實現全自動售貨與補貨，系統組成裝置如圖1所示。

該裝置出貨模塊采用四自由度的機械臂配合真空吸盤［2］，通過STM32單片機對四個自由度的RDS3115舵機進行控制，與吸盤相配合完成口罩的抓取自動出貨系統三維圖如圖2所示。

1.1 STM32主控最小系統

本設計是以STM32F103C8T6單片機的最小系統為主要控制系統進行設計，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64 KB，正常工作電壓2.0～3.6 V。其內部含有模數A/D轉化器，晶振、復位等電路；并且含有精準的電機控制的PWM輸出，功耗非常低、兼容性極強，并且具有128字節RAM端口更好完成通信與連接；含有多個I/O口，并且所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量；除了模擬輸入，其他端口均可接受小于5 V的輸入；STM32F103C8T6單片機最小系統的原理如圖3所示。

1.2 超聲波霧化消毒模塊

超聲波霧化是利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7MHz或2.4MHz，該電子振蕩對人體及動物沒有任何影響）［3］，主要進行細菌的裂解，與傳統的消毒方式相比，此方式消毒更加全面并且能源節省了90%。另外，在霧化過程中將釋放大量的負離子，其與空氣中飄浮的煙霧、粉塵等產生靜電式反應，使空氣得到凈化，減少疾病的發生。

1.3 吸盤裝置

利用空氣的壓縮原理設計真空吸盤對口罩實現無接觸提取，對于面積不同而產生的吸力不同的問題，采用經驗公式進行計算得出當真空一定，即吸力一定時，吸取單個口罩的吸盤面積大約為13～15cm2。數據如表1所示。

式（1）中：W為吸力，單位N；P為真空值，單位為kPa；C為吸盤的面積，單位為cm2。

1.4 小型光伏供電系統

此口罩售賣系統主要由光伏供電系統進行供電［4］。該系統主要由太陽能光伏板、電流、電壓轉化器、控制器以及蓄電池組成，以太陽能光伏板對太陽能進行轉化為主體，將太陽能轉化為直流電壓再通過電流轉換器轉換為交流電流供設備使用，使用電壓轉化器進行電壓的轉換完成系統電壓的多級應用，蓄電池將多余的電能進行儲存提高系統的可靠性。小型離網型光伏發電系統的原理如圖4所示。

1.5 移動支付系統

通過數據間的轉接完成購物，使用移動終端對所購買的產品進行結算支付，售賣數據等更清晰。該系統具有時空限制小、方便管理、隱私度高、綜合性強等特性［5］。

2 仿真與分析

2.1 程序設計

首先啟動設備完成系統初始化，同時支付模塊工作并判斷是否進行購買操作，如果進行購買則主控系統開始運行并經過時鐘配置運算，控制相應的舵機開始口罩的出貨，與此同時，消毒系統對口罩進行消毒，最終將口罩運送給用戶并進行信號反饋完成售賣；如果未進行購買，則返回頂級進行下一次售賣準備。程序設計主要流程如圖5所示。

2.2 仿真分析

通過軟件對程序流程進行編程后，為了驗證智能口罩售賣系統的基本功能，采用Proteus仿真軟件進行仿真分析。Proteus具有虛擬模型仿真、PCB圖設計等功能，可以對本設計在軟件硬件相結合的情況下所存在的主要問題進行分析、測試。仿真結果如圖6所示。

仿真過程中，各模塊運行穩定（注：誤差在0.5 s內是系統可接受的誤差）；出貨系統和吸盤的工作時間在預算時間之內（0.8～1.2 s）；光伏供能相對穩定，電壓的偏差不受影響，在實驗預測范圍內，系統可以迅速操作。以上的仿真實驗表明該設計在使用過程中可以實現基本功能，完成口罩的全面消毒、智能售賣。

3 結語

本文通過對移動支付模塊+STM32單片機控制電路、超聲波消毒模塊等進行硬件結構的構建分析，并運用仿真軟件、繪圖軟件驗證系統的合理性，最后通過具體試驗得出測試結果，驗證了此系統可以基本實現功能。設計結論如下：

（1）本文提出了一種體積較小的自動口罩售賣系統，可以解決人們在日常生活中對口罩售賣的便利和安全性。

（2）通過采用無接觸吸盤取貨的方式，減少了單個包裝的資源浪費和環境污染。采用新型能源光伏發電給系統供電，不但節約資源而且保護環境。

（3）通過軟件的仿真分析，本文驗證了STM32單片機可以精準地進行時鐘的配置，完成口罩的售賣。

（4）測試表明，此口罩售賣機消毒全面，操作簡單，反應快速，功能穩定，與人們的生活關系密切，有廣闊的應用前景和市場。

參考文獻

［1］苗雨晨.基于霧霾防護的口罩售賣機設計［J］.藝術科技，2019（2）：52，87.

［2］馮帥，周一凡，湯茗堯，等.基于單片機的拾取機械臂系統設計與控制［J］.電工技術，2019（18）：12-13，18.

［3］徐漢林，張景景，彭奕豪.單向傳感超聲波霧化消毒裝置［J］.發明與創新（高中生），2021（11）：16-17.

［4］易子豪，酉育紅，李國偉，等.基于光伏供電的語音識別垃圾智能系統設計［J］.江蘇科技信息，2021（14）：45-48.

［5］齊蒙，劉璐.移動支付用戶體驗模型實證研究［J］.設計，2022（5）：37-41.

（編輯 李春燕）

Abstract： With the announcement of the national policy on carbon emissions and the overall plan for carbon peaking， new energy power generation technology has gradually been integrated into the industrial field and has been favored by consumers. This paper proposes an energy-saving automatic mask vending machine based on STM32 microcontroller control， which is mainly composed of STM32 main control circuit， mobile payment module， intelligent pickup module， ultrasonic disinfection module， etc. The 20kW photovoltaic power generation module provides electricity for the whole system. To a certain extent， it solves the limitation of energy supply and the convenience of purchase. Through simulation experiments and data analysis， it is concluded that the system operation error is within 0.5～0.8 s， and the whole system operates well.

Key words： photovoltaic power generation; mobile payment; ultrasonic disinfection; automatic face mask vending