多功能保溫箱的設計

蒲德浪，何蓉，王文瓊，晏慧，潘開艷，楊潔

（1.黔南民族師范學院 物理與電子科學學院，貴州都勻， 558000；2.黔南民族師范學院 文學與傳媒學院，貴州都勻， 558000）

0 引言

根據調查發現，傳統保溫箱還存在著很多不足，從材料上看，市場上的傳統保溫箱多采用泡沫、帆布等制作而成，箱體的質量遠遠達不到顧客的要求，且不夠環保；從功能上看，市面上的保溫箱功能單一。相較傳統保溫箱而言，該多功能保溫箱的功能多樣，在傳統的功能上增加了加熱系統和制冷系統，其加熱、制冷系統滿足了消費者的不同需求，保證了運送物品的質量，并且根據人們對物品消毒的需求，添加了一項消毒功能。此項產品集加熱、制冷、消毒功能于一體，能夠實現隨時隨地對箱內的物品進行加熱或制冷，保持物品本身的溫度，還能進行消毒，防止病毒的傳播；同時增加了以太陽能板和鋰電池組共同構成的供電系統，并在箱體外側裝有多功能USB 充電口，可充當移動電源給其他設備充電；且箱體上還裝有液晶顯示屏實時顯示箱內的溫度值和壓力值，可通過按鍵來切換和設定溫度；在結構上，內設真空隔熱板，能夠有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，具有環保和高效節能的特點。

1 設計思路

為了實現保溫箱的基本功能，本次設計的思路是在傳統保溫箱原有的基礎上，增加背帶、提手、杯座、滑輪以及多功能充電口等功能，使其搬運和運輸更加方便，也更加適合外出游玩或垂釣。多功能保溫箱是由STC89C52 主系統和電源模塊、壓力檢測模塊、按鍵模塊、LCD12864 液晶顯示屏、DS18B20 溫度傳感器、加熱模塊、制冷模塊和消毒模塊8個子系統共同組成。多功能保溫箱通過兩個溫度傳感器和一個壓力傳感器分別檢測加熱室、制冷室的溫度和壓力值，將其檢測到的溫度值和壓力值傳給單片機主控芯片，并用液晶顯示屏顯示檢測到的溫度值和壓力值。同時還添加了消毒模塊，消毒模塊主要是通過將壓力傳感器檢測到的壓力值傳給單片機主控芯片后，由單片機主控芯片連接整流器驅動板來控制紫外線消毒燈管工作，實現消毒功能。總體設計框圖如圖1 所示，產品設計圖如圖2 所示。

圖1 總體設計框圖

圖2 產品設計圖

2 硬件設計

本系統的硬件設計分為控制器、傳感器、顯示器三大部分。根據實現功能的不同，可將其分為電源模塊、檢測模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、加熱系統、制冷系統和殺菌系統。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 電路原理圖

■2.1 電源模塊

電源模塊主要由CN3791MPPT 太陽能板和鋰電池組共同組成，太陽能電池板與普通的一次性電池、可循環充電的電池相比是更加節能環保的綠色產品，更加符合保護環境的理念。與此同時，還附加有多功能USB 充電口，可作為戶外電源。通過太陽能板MINI560 降壓模塊將輸入的電壓降為12V 給鋰電池組充電，DC-DC 降壓模塊將CN3791MPPT太陽能板和鋰電池組的12V 電壓降為5V 給多功能USB 充電口供電。

■2.2 檢測模塊

本模塊采用兩個DS18B20 溫度傳感器分別檢測保溫箱的加熱室和制冷室的溫度。該傳感器能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9 ～12 位的數字值讀數方式。DS18B20 的使用可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。

利用HX711 模塊+5Kg 壓力稱重傳感器檢測箱內物品的壓力。該傳感器是一種高精度的模擬數字轉換器，它可以將模擬信號轉換為數字信號，從而實現對物體重量的精確測量。

單片機的P36 、P35 引腳分別連接檢測加熱室和制冷室溫度的溫度傳感器，兩個溫度傳感器時刻檢測保溫箱內物品溫度的變化，P15、P16 引腳分別連接壓力傳感器的第3引腳與第2 引腳，用于實時檢測箱內物品的壓力。

■2.3 顯示模塊

顯示模塊主要是通過LCD12864 液晶顯示屏的VDD 端口連接+5V，VSS 端口接地，CS1、RESET、RS、SID、SCLK 端口分別連接芯片的P10、P11、P12、P13、P14 引腳。液晶屏上分別顯示加熱、制冷模塊的設定溫度值與檢測溫度值以及壓力傳感器檢測到的壓力值。

■2.4 按鍵輸入模塊

設置了切換鍵和溫度的加（1℃）按鍵、減（1℃）按鍵。切換鍵（SET_KEY）連接單片機的P20 引腳，加按鍵（UP_KEY）連接P21 引腳，減按鍵（DOWN_KEY）連接P22 引腳。切換鍵用于加熱模塊和制冷模塊之間功能的切換，加、減按鍵用于調節加熱溫度和制冷溫度。

■2.5 殺菌系統

殺菌系統是由消毒模塊、檢測模塊和顯示模塊共同組成。保溫箱的消毒模塊主要是單片機主控芯片連接整流器驅動板來控制紫外線消毒燈管工作。通過連接單片機的P34引腳控制紫外線消毒燈管繼電器實現消毒功能。并利用檢測與顯示模塊中的壓力傳感器檢測壓力，將檢測到的壓力值傳給STC89C52 主控芯片，再由主控芯片將檢測到的壓力值傳給液晶顯示屏顯示，當壓力傳感器感受到有一定壓力時，紫外線燈管工作。

■2.6 加熱系統

加熱系統是由加熱繼電器模塊、檢測模塊和顯示模塊共同組成。當箱內放有物品時，可通過加熱檢測電路檢測加熱室的溫度，將檢測到的加熱溫度值傳給單片機主控芯片，并將檢測到的加熱溫度值與設定的加熱溫度值進行對比，如果設定的加熱溫度值大于檢測的加熱溫度值，單片機的P33引腳通過控制加熱繼電器模塊連接的發熱線來對箱內物品進行加熱，當設定的加熱溫度值小于或等于檢測的加熱溫度值后，發熱線停止工作。如果物品設定的加熱溫度值再次大于檢測的加熱溫度值時，則發熱線再次工作，依次循環。

■2.7 制冷系統

制冷系統是由制冷繼電器模塊、檢測模塊和顯示模塊共同組成。當箱內放有物品時，可通過制冷檢測電路檢測制冷室的溫度，將檢測到的制冷溫度值傳給單片機主控芯片，并將檢測到的制冷溫度值與設定的制冷溫度值進行對比，如果設定的制冷溫度值小于檢測的制冷溫度值，單片機的P32 引腳控制制冷繼電器模塊連接的半導體制冷片對箱內的物品進行制冷，當設定的制冷溫度值大于或等于檢測的制冷溫度值后，半導體制冷片停止工作。如果物品設定的制冷溫度值再次小于檢測的制冷溫度值，則半導體制冷片再次工作，依次循環。

3 軟件設計

■3.1 系統軟件設計概述

在完成硬件系統設計的基礎上，要實現所需要的各種功能，使多功能保溫箱智能化工作，還需要通過軟件系統的設計來完成。軟件系統設計采用Keil 5 軟件編程，主要通過主函數調用子函數的方式來實現各個功能。軟件系統設計的整體流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件系統的整體流程圖

■3.2 制冷系統軟件設計

在制冷系統軟件設計中，通過主函數調用制冷模塊、檢測模塊和顯示模塊幾個子程序來完成整個制冷系統的運行。用戶可通過按鍵設定制冷溫度值， 利用DS18B20的讀寫功能讀取溫度值，將設定和檢測到的溫度值通過STC89C52 單片機主控芯片傳給液晶顯示屏實時顯示，當設定的制冷溫度值小于檢測的制冷溫度值時，制冷系統開啟，半導體制冷片對放入箱內的物品進行制冷；若設定的制冷溫度值大于或等于檢測的制冷溫度值，此時用戶可通過按鍵重新調整設定的制冷溫度值，使設定的制冷溫度值小于檢測的制冷溫度值，以滿足客戶的需求。制冷系統軟件設計的流程圖如圖5 所示。

圖5 制冷系統軟件設計流程圖

■3.3 加熱系統軟件設計

在加熱系統軟件設計中，通過主函數調用加熱模塊、檢測模塊和顯示模塊幾個子程序來完成整個加熱系統的運行。用戶可通過按鍵設定加熱溫度值，利用DS18B20 的讀寫功能讀取溫度值，將設定和檢測到的溫度值通過STC89C52單片機主控芯片傳給液晶顯示屏實時顯示，當設定的加熱溫度值大于檢測的加熱溫度值時，加熱系統開啟，發熱線對放入箱內的物品進行加熱；若設定的加熱溫度值小于或等于檢測的加熱溫度值，此時用戶可通過按鍵重新調整設定加熱溫度值，使設定的加熱溫度值大于檢測的加熱溫度值，以滿足客戶的需求。加熱系統軟件設計的流程圖如圖6 所示。

■3.4 殺菌系統軟件設計

在殺菌系統軟件設計中，通過主函數調用壓力傳感器模塊和顯示模塊來完成程序的運行，并由STC89C52 單片機主控芯片連接的整流器驅動板配合壓力傳感器檢測模塊來控制紫外線消毒燈管工作。當箱內放置物品后，利用壓力傳感器檢測壓力，程序中設定的壓力值是5，當檢測到的壓力值大于等于5 時，消毒燈就會工作，若沒有檢測到壓力，則消毒燈不工作。殺菌系統軟件設計的流程圖如圖7 所示。

圖6 加熱系統軟件設計流程圖

圖7 殺菌系統軟件設計流程圖

4 總結

目前，我們完成了集加熱功能、制冷功能和消毒功能于一體的多功能保溫箱的設計，可以實現隨時隨地對箱內的物體進行加熱和制冷的效果，保證了物品的運輸質量；并在此基礎上進行了創新，添加了一項殺菌功能，實現了利用紫外線對箱內物品進行消毒殺菌處理的目的。不僅如此，箱內設有真空隔熱板，能有效地避免空氣對流引起的熱傳遞。箱體上的太陽能板可以將光能轉換為電能為鋰電池組供電，具有環保和高效節能的特點。箱體上安裝了液晶屏和按鍵，讓人們可以時刻看到箱體內溫度的變化和壓力的大小；箱體外側設有多功能USB 充電口，可以充當移動電源為使用者的其他設備進行充電，滿足了使用者的不同需求。