基于STC89C51單片機(jī)的智能殺菌除臭鞋柜設(shè)計(jì)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 李嘉寧 成 丹 董 璐 李 昂 何祝媛

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能殺菌除臭鞋柜。選用STC89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，采用DHT11溫濕度傳感器采集柜內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，由LCD1602液晶模塊實(shí)時(shí)顯示鞋柜內(nèi)部的溫濕度?？刂评^電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到去除異味的目的。紫外線殺菌模塊則利用紫外線在波長(zhǎng)為253.7nm時(shí)殺菌作用最強(qiáng)的原理，實(shí)現(xiàn)殺菌功能。與傳統(tǒng)鞋柜相比，該鞋柜不僅具有合理收納的功能，還加入了測(cè)量顯示溫濕度、殺菌除臭等功能，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著人們對(duì)家居環(huán)境和鞋類護(hù)理的日益重視，一個(gè)巨大的鞋收納和鞋護(hù)理市場(chǎng)由此形成。傳統(tǒng)鞋柜每年的需求量至少在200萬臺(tái)以上，這些鞋柜除了在普通家庭使用外，還用于賓館、游泳館、足浴堂等各種場(chǎng)所。傳統(tǒng)的鞋柜功能單一，容易滋生各種細(xì)菌，殺菌消毒較為困難，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境下的疫情防控、殺菌消毒、智能顯示等需求。與此同時(shí)，人們生活質(zhì)量越來越高，足部醫(yī)療護(hù)理及衛(wèi)生防控的需求不斷增加，智能鞋柜也開始逐步進(jìn)入家庭，代替現(xiàn)有的傳統(tǒng)鞋柜，不僅家庭需要，醫(yī)院、游泳館等公共場(chǎng)所也亟需更適合大眾需求的多功能智能鞋柜，這些場(chǎng)所都是智能鞋柜潛在的市場(chǎng)，前景十分廣闊。國(guó)內(nèi)外已有一些創(chuàng)意除臭鞋柜出現(xiàn)，但價(jià)格昂貴，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能的多樣化上仍然有進(jìn)一步優(yōu)化的需求和空間。

本文設(shè)計(jì)了一款智能殺菌除臭鞋柜，采用單片機(jī)為核心控制器件，分模塊進(jìn)行控制，可實(shí)時(shí)顯示柜內(nèi)溫濕度環(huán)境，進(jìn)行殺菌除臭，保持柜內(nèi)良好的空氣環(huán)境，可以有效的對(duì)真菌的傳播進(jìn)行抑制，滿足人們對(duì)鞋柜多方面的需求的同時(shí)，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能殺菌除臭鞋柜采用STC89C51單片機(jī)作為核心微控制單元，其余單元由降溫通風(fēng)模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊和紫外線殺菌模塊組成。風(fēng)扇可以進(jìn)行通風(fēng)除臭；溫濕度采集模塊采集鞋柜內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)后發(fā)送給顯示模塊；顯示模塊不僅可以實(shí)時(shí)顯示內(nèi)部溫濕度環(huán)境，還可以顯示當(dāng)前時(shí)間，起到時(shí)鐘功能；紫外線殺菌模塊定時(shí)給鞋柜內(nèi)部殺菌消毒。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊選擇

設(shè)計(jì)模塊的選擇有單片機(jī)系列與FPGA控制兩種。FPGA屬于可編程陣列，可以進(jìn)行多線程處理，運(yùn)行速度特別快，設(shè)計(jì)思路很清晰，但價(jià)格成本比較高昂。與FPGA相比，單片機(jī)也可以滿足本設(shè)計(jì)要求，指令編寫比較簡(jiǎn)單，最小系統(tǒng)和外圍電路搭建相對(duì)比較容易，對(duì)IO口的操作和程序少些也方便，價(jià)格比較低廉，可以降低成本。通過對(duì)兩種控制模塊進(jìn)行充分的對(duì)比，在完成設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低成本和提高設(shè)計(jì)效率，選擇使用單片機(jī)作為控制模塊，最終確定的型號(hào)為STC89C51。

圖3 溫濕度模塊管腳連接圖

圖4 溫濕度采集及顯示模塊電路圖

圖5 紫外線殺菌模塊電路圖

2.2 降溫通風(fēng)模塊設(shè)計(jì)

降溫通風(fēng)模塊電路圖如圖2所示。該模塊采用ULN2003，該模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易上手學(xué)習(xí)使用，同時(shí)應(yīng)用范圍廣，使用非常方便。降溫通風(fēng)模塊在整體設(shè)計(jì)中起通風(fēng)降溫除濕的作用，與此同時(shí)可以凈化柜內(nèi)空氣。當(dāng)鞋柜中有異味產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)可控制繼電器開啟風(fēng)扇，進(jìn)行除臭。在檢測(cè)到溫濕度數(shù)據(jù)異常時(shí)，亦可以打開風(fēng)扇進(jìn)行降溫通風(fēng)。

2.3 溫濕度采集及液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

溫濕度采集模塊選用DHT11，該模塊具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，溫濕度模塊DHT11第三管腳懸空放置，其余管腳連接情況如圖3所示。該模塊可實(shí)時(shí)采集顯示鞋柜內(nèi)部溫濕度，當(dāng)鞋柜內(nèi)部溫濕度值超過設(shè)置的最大閾值時(shí)，指示燈亮起，提醒使用者及時(shí)開啟風(fēng)扇降溫通風(fēng)，不僅方便智能，為鞋類護(hù)理也提供了良好的環(huán)境。

具體的溫濕度采集及顯示模塊電路圖如圖4所示。選用LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊，此模塊在系統(tǒng)應(yīng)用中最為普遍且控制較易，價(jià)格低廉。LCD1602的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，采用軟件譯碼動(dòng)態(tài)顯示。若使用串行傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，其更新數(shù)據(jù)顯示的速度就會(huì)變得特別慢，不符合本設(shè)計(jì)的要求。因此采用并行數(shù)據(jù)傳輸顯示，此方法具備的優(yōu)點(diǎn)為：若是單片機(jī)的使用端口僅需增加一組I/O口，通過RS、RW、EN進(jìn)行控制液液晶屏的顯示狀態(tài)，并行數(shù)據(jù)顯示傳輸速度快，數(shù)據(jù)更新快，同時(shí)功耗較低。

2.4 紫外線殺菌模塊設(shè)計(jì)

紫外線殺菌模塊電路圖如圖5所示。

紫外線殺菌模塊具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)模式。當(dāng)電路處于手動(dòng)模式下時(shí)，使用者按下相應(yīng)按鈕，手動(dòng)控制紫外線燈開、關(guān)，在紫外線燈開啟后，若檢測(cè)到鞋柜門打開，光敏電阻可控制調(diào)節(jié)燈變暗，以防有人經(jīng)過鞋柜時(shí)，受到紫外線的強(qiáng)光照射。當(dāng)電路處于自動(dòng)模式下時(shí)，特別設(shè)計(jì)HC-SR501紅外感應(yīng)模塊，該傳感器能對(duì)人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過反饋的距離參數(shù)來判斷是否有人經(jīng)過，進(jìn)而達(dá)到控制紫外燈開關(guān)的目的，從而避免紫外線對(duì)于人體的傷害。人體紅外傳感器有兩種觸發(fā)模式，本設(shè)計(jì)選用可重復(fù)觸發(fā)模式，感應(yīng)輸出高電平后，檢測(cè)到人體紅外，會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)，直到檢測(cè)人體離開才變?yōu)榈碗娖健?/p>

結(jié)論：本文實(shí)現(xiàn)了基于STC89C51單片機(jī)的殺菌除臭鞋柜的設(shè)計(jì)與制作。通過測(cè)試，該鞋柜可以可靠地實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)環(huán)境溫濕度的測(cè)量與顯示、殺菌除臭和通風(fēng)報(bào)警等功能，完成了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與傳統(tǒng)的鞋柜相比，本設(shè)計(jì)更加智能便捷，為用戶提供更好的生活體驗(yàn)，有廣闊的應(yīng)用前景。