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(xué)生創(chuàng)新項目（塔里木大學(xué)）；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(fā)電技術(shù)。

*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(fā)電技術(shù)。

摘要：隨著國家碳排放和碳達(dá)峰總體方案的公布，新能源發(fā)電技術(shù)逐漸融入工業(yè)領(lǐng)域，備受消費者的青睞。文章提出了一種基于STM32單片機(jī)控制的節(jié)能型自動口罩售賣機(jī)，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(fā)電組件為整套系統(tǒng)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(shù)據(jù)分析，得出系統(tǒng)運行誤差在0.5～0.8 s內(nèi)，整套系統(tǒng)運行效果良好。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；移動支付；超聲波消毒；口罩自動售賣

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來隨著國家重工業(yè)的大力發(fā)展，我們的生活環(huán)境逐漸惡化，空氣中的有害因子不斷增加。環(huán)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(hù)變得極其重要?？谡肿鳛槿藗冏顝V泛使用的防護(hù)措施，很多人在使用口罩進(jìn)行防護(hù)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?nèi)狈每谡肿晕曳雷o(hù)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(qiáng)的自動口罩售賣系統(tǒng)來滿足人們的日常生活需求，為人們的安全保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

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

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

1.1 STM32主控最小系統(tǒng)

本設(shè)計是以STM32F103C8T6單片機(jī)的最小系統(tǒng)為主要控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)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(nèi)部含有模數(shù)A/D轉(zhuǎn)化器，晶振、復(fù)位等電路；并且含有精準(zhǔn)的電機(jī)控制的PWM輸出，功耗非常低、兼容性極強(qiáng)，并且具有128字節(jié)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(jī)最小系統(tǒng)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(jìn)行細(xì)菌的裂解，與傳統(tǒng)的消毒方式相比，此方式消毒更加全面并且能源節(jié)省了90%。另外，在霧化過程中將釋放大量的負(fù)離子，其與空氣中飄浮的煙霧、粉塵等產(chǎn)生靜電式反應(yīng)，使空氣得到凈化，減少疾病的發(fā)生。

1.3 吸盤裝置

利用空氣的壓縮原理設(shè)計真空吸盤對口罩實現(xiàn)無接觸提取，對于面積不同而產(chǎn)生的吸力不同的問題，采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算得出當(dāng)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(shù)據(jù)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(tǒng)

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

1.5 移動支付系統(tǒng)

通過數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)接完成購物，使用移動終端對所購買的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)算支付，售賣數(shù)據(jù)等更清晰。該系統(tǒng)具有時空限制小、方便管理、隱私度高、綜合性強(qiáng)等特性［5］。

2 仿真與分析

2.1 程序設(shè)計

首先啟動設(shè)備完成系統(tǒng)初始化，同時支付模塊工作并判斷是否進(jìn)行購買操作，如果進(jìn)行購買則主控系統(tǒng)開始運行并經(jīng)過時鐘配置運算，控制相應(yīng)的舵機(jī)開始口罩的出貨，與此同時，消毒系統(tǒng)對口罩進(jìn)行消毒，最終將口罩運送給用戶并進(jìn)行信號反饋完成售賣；如果未進(jìn)行購買，則返回頂級進(jìn)行下一次售賣準(zhǔn)備。程序設(shè)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(jìn)行編程后，為了驗證智能口罩售賣系統(tǒng)的基本功能，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真分析。Proteus具有虛擬模型仿真、PCB圖設(shè)計等功能，可以對本設(shè)計在軟件硬件相結(jié)合的情況下所存在的主要問題進(jìn)行分析、測試。仿真結(jié)果如圖6所示。

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

3 結(jié)語

本文通過對移動支付模塊+STM32單片機(jī)控制電路、超聲波消毒模塊等進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建分析，并運用仿真軟件、繪圖軟件驗證系統(tǒng)的合理性，最后通過具體試驗得出測試結(jié)果，驗證了此系統(tǒng)可以基本實現(xiàn)功能。設(shè)計結(jié)論如下：

（1）本文提出了一種體積較小的自動口罩售賣系統(tǒng)，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(huán)境污染。采用新型能源光伏發(fā)電給系統(tǒng)供電，不但節(jié)約資源而且保護(hù)環(huán)境。

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

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

參考文獻(xiàn)

［1］苗雨晨.基于霧霾防護(hù)的口罩售賣機(jī)設(shè)計［J］.藝術(shù)科技，2019（2）：52，87.

［2］馮帥，周一凡，湯茗堯，等.基于單片機(jī)的拾取機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計與控制［J］.電工技術(shù)，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(fā)明與創(chuàng)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(tǒng)設(shè)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?zāi)Ｐ蛯嵶C研究［J］.設(shè)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