基于stm32 與51 交互式終端的多功能口罩回收售賣機(jī)設(shè)計(jì)

文/ 東北林業(yè)大學(xué) 孟令欣 朱玉杰 張妍 周培釗 楊宇航 張博瑞

目前，針對口罩回收售賣機(jī)這一領(lǐng)域的文獻(xiàn)較少，本文將現(xiàn)有口罩售賣機(jī)存在的矛盾通過TRIZ理論進(jìn)行分析找到解決方案，并通過stm32與51單片機(jī)應(yīng)用于口罩回收售賣機(jī)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)解決方案，找到符合發(fā)明原理及國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。其中，stm32單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的主要功能，如口罩回收、消毒和售賣等，具有性能較高、處理能力較強(qiáng)、豐富的外設(shè)接口，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯和通信功能；51單片機(jī)則主要負(fù)責(zé)輔助功能，如用戶界面的顯示和輸入、環(huán)境監(jiān)測等，具有低功耗、簡單易用和穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇.S.阿奇舒勒等提出了可解決創(chuàng)造性問題的理論方法和工具——TRIZ理論，其總結(jié)了各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，并提出了解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則。TRIZ理論應(yīng)用過程的基本思路如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題基本思路示意圖

TRIZ理論的核心理念之一是分析與解決矛盾。矛盾可描述為由改善方案引發(fā)的沖突， 一個(gè)方案在改善系統(tǒng)某個(gè)參數(shù)的同時(shí)會伴隨著另一個(gè)參數(shù)的惡化。利用TRIZ理論，通過問題對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)尋找矛盾，還應(yīng)用發(fā)明原理解決矛盾。

一、口罩回收售賣裝置現(xiàn)狀及沖突分析

1.1 現(xiàn)狀分析

防疫理念深入人心，一次性醫(yī)用外科口罩是普通個(gè)體最重要、最基礎(chǔ)的防護(hù)用品，以微信小程序?yàn)槊浇榻?shí)體設(shè)備與輕型應(yīng)用的關(guān)聯(lián)是引導(dǎo)流量的有效工具。由于口罩及相關(guān)健康保障需求，防護(hù)裝置也在不斷地發(fā)展迭代。

1.2 沖突分析

本文對現(xiàn)有口罩回收售賣機(jī)進(jìn)行分析，考慮口罩回收售賣裝置現(xiàn)狀與安裝、使用過程中的實(shí)際需求，結(jié)合當(dāng)下各公共場所管理實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)目前市場上使用的裝置在智能控制、交互體驗(yàn)、供應(yīng)鏈和庫存，以及空間設(shè)計(jì)上均存在問題。

1.2.1 智能控制方面

口罩回收售賣機(jī)通常需要準(zhǔn)確地識別口罩后進(jìn)行回收。但智能識別技術(shù)可能會面臨挑戰(zhàn)，特別是在處理不同型號、顏色或狀況的口罩時(shí)，只使用光學(xué)傳感器或壓力傳感器可能無法準(zhǔn)確地辨別口罩的狀態(tài)，進(jìn)而影響回收準(zhǔn)確性和質(zhì)量。

1.2.2 交互體驗(yàn)方面

口罩回收售賣機(jī)的用戶界面應(yīng)該易于使用和理解。但一些設(shè)計(jì)，如簡單的按鈕設(shè)計(jì)可能存在指示不清晰或反應(yīng)遲鈍的問題。這些問題可能會導(dǎo)致用戶困惑，出現(xiàn)耗費(fèi)時(shí)間甚至選擇放棄使用等情況。

1.2.3 供應(yīng)鏈和庫存方面

口罩回收售賣機(jī)涉及銷售和支付環(huán)節(jié)。如何與口罩廠家建立有效的支付和結(jié)算系統(tǒng)，確保回收的口罩得到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，并進(jìn)行準(zhǔn)確的賬務(wù)處理，是需要解決的問題之一。

1.2.4 空間設(shè)計(jì)方面

口罩回收售賣機(jī)通常需要在有限的空間內(nèi)提供多種功能，如回收、消毒和售賣口罩。然而，如果功能區(qū)域設(shè)計(jì)不合理，空間沒有得到合理利用，這可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部空間過于擁擠，造成用戶操作不便，或需頻繁維護(hù)和清潔機(jī)器的結(jié)果。

二、基于TRIZ理論的解決問題方案

2.1 TRIZ理論的應(yīng)用思路

在沖突中找到發(fā)明的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是TRIZ理論的核心思想，所以找出技術(shù)沖突是進(jìn)行TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。結(jié)合上文所述，口罩回收售賣機(jī)要在智能控制、交互體驗(yàn)、供應(yīng)鏈和庫存、空間設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。依據(jù)TRIZ理論，首先要從問題的來源確定矛盾，而矛盾包括有利和不利方面。本文將有利和不利之處與39個(gè)通用工程技術(shù)參數(shù)建立聯(lián)系，有利之處對應(yīng)欲改善的參數(shù)，不利之處對應(yīng)欲惡化的參數(shù)，每一組欲改善和欲惡化的參數(shù)組成一組沖突后，再利用矛盾矩陣找出發(fā)明原理解決問題。

2.2 口罩回收售賣機(jī)方案利弊分析

由于TRIZ理論第一步需從問題的來源確定矛盾，而矛盾包括有利方面和不利方面，下面對口罩回收售賣機(jī)方案利弊進(jìn)行分析，如表1所示。

2.3 技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化

利用矛盾矩陣將上述方案的利弊與39個(gè)通用工程參數(shù)分別進(jìn)行匹配，參數(shù)匹配情況如表2所示。

表2 技術(shù)矛盾參數(shù)匹配情況

2.4 基于阿奇舒勒矛盾矩陣的設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行技術(shù)沖突分析后，本文通過查閱阿奇舒勒沖突矩陣，得到矛盾矩陣如表3所示。根據(jù)口罩回收售賣機(jī)的實(shí)際需求，最終篩選出的發(fā)明原理為局部質(zhì)量改善原理、自服務(wù)原理和替代機(jī)械系統(tǒng)原理。

表3 基于阿奇舒樂矛盾矩陣的設(shè)計(jì)

2.5 發(fā)明原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)上文確定的發(fā)明原理，對口罩回收售賣機(jī)做出以運(yùn)行高效、功能多樣、識別精準(zhǔn)為目的的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，下面將改進(jìn)功能所集中的區(qū)域列為A區(qū)示意。（見圖2）

圖2 機(jī)器功能區(qū)域各部位示意圖

2.5.1 局部質(zhì)量改善原理

裝置各部位功能專一且連接緊密，通過添加隔板（2）使裝置分為上下兩部分，上部為口罩售賣部位，下部為口罩回收處理部位。同時(shí)通過利用立體化原理實(shí)現(xiàn)功能分區(qū)，前部為健康碼識別處，側(cè)面（1）為口罩售賣回收處理部位，設(shè)置手部清潔裝置，在保障功能同時(shí)盡可能地減小占地面積。

2.5.2 自服務(wù)原理

在回收裝置（3）頂部設(shè)置MH-Sensor-Series 光敏電阻傳感器，通過光電效應(yīng)檢測放入物品合法性，采用 TCRT5000紅外反射傳感器，同時(shí)輸出T T L 信號與數(shù)字模擬信號至STC89C52RC控制器，若識別不合法，則蜂鳴器語音提示；若識別合法，則舵機(jī)扭轉(zhuǎn)開啟入口。

此外，Wi-Fi信號與服務(wù)器相連，通過數(shù)據(jù)庫儲存數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自主矯正確保用戶投入機(jī)器的口罩符合回收要求。

2.5.3 替代機(jī)械系統(tǒng)原理

為便利確定用戶身份并且進(jìn)行智能化管理，應(yīng)將用戶信息實(shí)時(shí)傳輸至云平臺，將信息儲存至云服務(wù)器中，從而提高數(shù)據(jù)的安全性，便利數(shù)據(jù)查找，減少人力資源浪費(fèi)。同時(shí)，為鼓勵口罩使用者定點(diǎn)丟棄口罩，設(shè)置口罩回收統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)（4、5），將個(gè)人信息實(shí)時(shí)傳輸至云平臺進(jìn)行積分記錄、兌換等功能。在云平臺中，可清晰觀測各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)，有益于對信息進(jìn)行處理和整合，提高工作效率。

三、總結(jié)

通過應(yīng)用TRIZ理論中的局部質(zhì)量改善原理和自服務(wù)原理，本文對現(xiàn)有口罩回收售賣機(jī)進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。這些改良措施著重于提高用戶的參與度和自主性。

例如，設(shè)計(jì)中賦予用戶矯正投入口罩的自主權(quán)，使用戶能夠主動參與并負(fù)責(zé)投放符合回收要求的口罩；通過設(shè)置口罩回收統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)原理，可提升用戶的參與感和責(zé)任感，增強(qiáng)用戶對回收要求的認(rèn)知和理解。這些改進(jìn)體現(xiàn)了工業(yè)工程中的人因工程思想，強(qiáng)調(diào)用戶的參與、人機(jī)交互和錯(cuò)誤容忍能力的重要性，以提高整體系統(tǒng)的效能和用戶體驗(yàn)。