基于單片機的智能鞋柜控制系統

王加澤 趙建彪 何秋實 唐宏亮 吳曉雪

（大連海洋大學信息工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

中國產業信息網發布的《2012～2018 年中國智能家居產業發展動態及投資潛力硏究分析報告》稱，我國智能家居潛在市場規模約為5.8 萬億元，發展空間巨大，現如今智能家居產業已經進入蓬勃發展期[1]。其中，家電類智能家居產品市場份額最高[2]，市場占比超過70%。一方面，由于產品價格和功用性等問題，因此家電類智能家居設備整體増速較慢。另一方面，智能照明、家用攝像頭等小型產品不僅價格較低，而且能夠滿足消費者的即時需求，因此市場増速較快。目前，智能家居市場還處于培育階段，操作簡單、極致體驗是智能家居發展的關鍵。需要將智能控制技術應用到傳統家具中，使家具具有自動化、人性化以及方便性等特點[3]。

在發展空間方面，我國智能家居行業潛在市場規模巨大。根據中國室內裝飾協會智能化委員會的分類，智能家居系統產品共分為20 個類別，包括控制主機、智能照明系統、電器控制系統、家庭背景音樂、防盜報警、電鎖門禁、智能遮陽以及智能家電等。

1 智能鞋柜的設計意義

傳統鞋柜通常都是用木材打制的，非常容易發霉、發潮和發臭并且還會散發有害氣體[4]。當人們下班回家時，該鞋柜可以自動將要換穿的拖鞋放至用戶腳下，通過輔助脫鞋裝置無須彎腰即可完成換鞋動作，之后鞋會自動放置在鞋架的指定位置或隨機空位上，用戶出門前鞋柜可聯網提供一些穿鞋建議[5]，例如根據天氣、鞋子的使用頻率來推薦當天穿的鞋子等，用戶也可以自主選擇，改善了用戶衛生壞境，提高了人們的生活品質，還可以為不便彎腰的老人提供幫助[6]。

2 基于單片機智能控制鞋柜的設計構想

2.1 運輸與儲存模塊設計

圖1 高精度X-Y 工作臺

運輸板和存儲板的每個鞋位下均安裝有限位開關，以感知該位置上是否有鞋，從而提供更精確的定位和服務。由于運輸板和鞋位架的交錯式設計，因此可以巧妙地存放、取用鞋子，具體放鞋過程如圖2 所示，取鞋過程反之即可。

圖2 取放鞋過程

存儲模塊是由多個存儲板組合而成的鞋位架，存儲板間用光軸相連，一端裝有舵機，通過齒輪齒條機構調整各個存儲板之間的相對距離，以便空出足夠的運輸通道，最大程度地提高空間利用率。

2.2 脫鞋模塊設計

基于抵靠腳脫鞋的習慣以及滿足鞋柜運輸架工作要求，該文設計了脫鞋裝置。首先，為了提高空間利用率，該文采用兩側導軌輔助穩定的方法，使脫鞋裝置與主體可以進行相互運動并且使用彈簧軌道實現輕推開關脫鞋裝置。當脫鞋時，腳需要抵靠脫鞋裝置的弧形板。

開啟態：如圖3 所示，4 片支撐板會收縮，底板會與圓弧板側靠齊，方便用戶脫鞋時抵靠住弧形板。

圖3 開啟態

關閉態：如圖4 所示，底板會向另一側移動，支撐板向上運動抬起鞋子，方便鞋柜的運輸架插入鞋子底部。

圖4 關閉態

2.3 消毒清潔模塊設計

清潔模塊由排風扇、清潔器以及噴淋裝置組成。排風扇為離心式雙向排氣結構，葉片為對稱葉型，在進氣和排氣模式下都能有較高的效率，排氣口尾部有石棉過濾網，吸收排出氣體的異味。在日常生活中，人足分泌的汗液導致鞋子內部長時間繁殖各種細菌和真菌且鞋子內部潮濕，會助長細菌滋生[7]。因此，有效的排風是很重要的。

深度學習研究逐漸從宏觀概念向技術支撐下的深度學習轉變 從研究內容轉變上看，由2005年開始的深度學習概念的引入，到2012年教學策略、問題解決，再到2014年翻轉課堂、MOOC、SPOC等技術在深度學習研究中的應用，可以看出深度學習從概念模式向基于技術的深度學習研究轉變，眾多研究立足于如何使用當代技術促進深度學習的發生，提高學生的核心素養。

噴淋裝置由1 臺有刷電機水泵和其支撐架組成，預期可以通過噴灑酒精或者噴淋空氣清新劑等液體來減少鞋柜內部的異味[8]。

清潔器由無刷云臺電機、連接臺、柔性滾動清潔器、旋轉臺以及舵機擺動器等組成。

清潔過程（如圖5 所示）如下：在放入鞋子前，清潔器處于最高狀態，以確保鞋子順利放入，鞋子由高精度X-Y工作臺放入清潔模塊中，同時排風系統開始工作，確保空氣流通，鞋子完全放入后，清潔器開始向下偏轉直至與鞋壁貼緊，然后云臺無刷電機開始工作，帶動柔性滾動清潔器轉動 ，滾動清潔鞋體表面，根據清潔需要選擇是否噴淋清潔溶液。

圖5 鞋子進入清洗器的過程

2.4 智能控制模塊設計

控制系統的核心是STC89C52 單片機，STC89C52 是一款低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器[9]。針對每個鞋位是否有鞋的檢測，在每個鞋位制作一個簡易的壓力開關，利用矩陣鍵盤掃描原理對每個鞋位是否有鞋進行檢測。針對控制運輸板的運動，使用2 臺步進電機在平面內對運輸架進行控制。通過2 個步進電機轉不同的圈數控制運輸架到達鞋架的任意位置。鞋托上會有2 個光電門，通過記錄經過幾個標志物來判斷此時運輸架的位置。部分電路圖和程序代碼如圖6 所示。

圖6 PCB 板電路圖

對模塊的設計來說，該文將在已有數據的基礎上對實物的結構進行分析。

人機交互面板設計，晶碼管控制面板設置9 個數字按鍵（1、2、3、4、5、6、7、8 和9）、4 個功能（除臭、烘干、紫外殺菌和除塵）以及2 個按鍵（確定、取消）。如果用戶在脫鞋后想對鞋進行功能處理，只需要按相應的功能按鍵，再單擊確定即可。如果沒有操作，就等待一定時間，運輸架會自動將鞋運送至空位。

取鞋的方式有2 種，一是直接從鞋架上拿取，二是按數字按鍵輸入鞋位編號，再按確定按鍵。等待鞋處理完后，直接可在取鞋位穿鞋。按相應的按鍵晶碼管進行顯示，以便用戶操作。

3 智能鞋柜的結構分析

3.1 易損結構受力分析

鞋子種類多種多樣，該團隊進行充分調查，結果顯示，平均每雙鞋的質量為0.611 5 kg。為了校驗脫鞋裝置和運輸板工作時的受力情況，按照1 ∶1 的比例制作了仿真模型并進行受力分析。

首先，將建立的脫鞋機構基體三維模型導入SolidWorks軟件并利用simulation 進行有限元分析，假設下部與軌道接觸的部位為固定支持，鞋柜底面對其下部施加20 N 的支持力，彈簧槽處與彈簧接觸處分別為8 N 的集中力，各連桿與基體連接處為10 N 的集中力。其次，劃分網格，求得基體總應變最大為0.266 mm，位于基體前端直角連接處，滿足強度要求。該仿真模型得到的最大應力為0.36 MPa，前端直角連接處的應力最大，在實際生產中應給予局部加強。

3.2 空間利用率分析

根據大部分用戶需求，每個鞋位尺寸設定為240mm×320mm×150mm（可根據需求適當更改），每層設置4～5 個鞋位，正常鞋柜設定為8 層即可滿足正常家庭的需求，此時鞋柜尺寸為1.25m×0.40m×1.60m，與正常鞋柜大小相仿，由于該鞋柜為自動機械取鞋，因此可以增加層數。

4 智能鞋柜的數據核算

4.1 齒輪齒條機構的核算

實際鞋位架為2 層，每層滿載時的鞋數量一致。現假設鞋的平均質量相等，因此僅需要校核任意一層。當某一層放置滿鞋時（5 雙鞋），每雙鞋平均重量為611.5 g 且每層鞋位架質量為2 kg，當任意一層滿載時鞋架總質量如公式（1）所示。

4.1.1 幾何參數

齒輪齒數Z=20，齒寬b=20 mm。

4.1.2 強度計算

由于齒輪齒條運行環境為低速低載荷，因此只需要考慮齒輪齒條的強度即可，強度如公式（2）所示。

式中：σf為齒輪齒條的強度；K為載荷系數；T1為小齒輪的轉矩；YFa載荷作用于齒頂時的齒形系數；YSa為載荷作用于齒頂時的應力修正系數；b為輪齒寬度；z1為小齒輪齒數；m為模數。

由于選用大扭矩360°舵機，齒輪所承受的沖擊較為均勻，因此載荷系數K=1.2。查表得齒形系數YFa=2.93，應力修正系數為YSa=1.56，齒寬系數φd=0.8，那么就有公式（3）～公式（5）。

式中：[σF]為許用彎曲應力。

綜上所述，可以得到公式（6）、公式（7）。

該文選擇的齒輪的材料為45號調制鋼，它的σF=450 MPa，根據鞋柜的工作情況，取SF=1.3，解得m≥0.3，綜合結構尺寸考慮，取m=1.5。

4.2 電能消耗的核算

該智能鞋柜采用家庭常用的220 V 交流電供電，用電設備為STC 8951 芯片、TFTLCD 電容屏、3 套42 步進電機、14 個SG5010 舵機以及2 個無刷電機。STC 89C51 芯片運行功率較小，可忽略不計。

TFTLCD 電容屏的功率如公式（8）所示。

3 套42 步進電機的功率如公式（9）所示。

14 個SG5010 大扭矩舵機（運動狀態）的功率如公式（10）所示。

2 個無刷電機的功率如公式（11）所示。

機器運行最大總功率如公式（12）所示。

5 結語

該文設計了一款獨特的智能鞋柜，將X-Y工作臺的理念應用在鞋柜上，使取/放鞋更方便、更便捷。該智能鞋柜的控制核心是STC89C52 單片機，可以有效地控制鞋柜的各種功能。該文設計的智能家居鞋柜功能齊全，抗干擾能力強，具有較強的自動控制系統和良好的使用周期，改善了傳統鞋柜的不足，實用性更高。