智能鞋柜控制板设计开发

随着智能时代的到来，智能家居成为各界人士争相讨论、深度研究的重要话题和主要方向，而智能家居中对鞋柜的智能处理方案少之又少，市面上现有的电子智能鞋柜存在功能比较单一、对鞋的杀菌除臭强度不够等缺点。因此，文中对鞋柜的功能种类、加热除湿、杀菌除臭等方面进行了完善与加强。

以STM32F103RBT6单片机作为核心控制处理器，通过外设传感器进行外部数据采集，经过单片机处理进而实现相应功能。

本设计一方面通过控制外设传感器模块实现闭环反馈控制，另一方面，采用220V转12V的开关电源或太阳能电池板相互切换这2种模式，即可以通过220V直接供电，也可以放在阳台等光照强度高、光照面积大的地点进行充电，既安全可靠，又能起到节能环保的作用。

一、智能鞋柜系统总体设计方案

采用太阳能电池板或220V开关电源对整个系统进行供电，鞋柜整体由木板组成，利用SolidWorks进行图纸设计，并通过雕刻机进行加工处理，鞋柜下方设有4个自锁万向轮，方便移动；通过使用臭氧发生器、负离子发生器、温湿度传感器、PTC加热陶瓷片、烟雾报警器等传感器进行数据采集，选用STM32F103RBT6单片机为核心控制处理器进行数据处理，实现闭环反馈控制，采用TFT液晶屏进行参数显示，通过蓝牙实现无线通信，在移动端显示测试的数据，实现预期成果。系统总体设计方案如图1所示。

二、智能消毒鞋柜系统硬件设计

本系统主要由光耦隔离电路、加热除湿、杀毒消菌、显示屏幕等外接电路组成，电源部分采用开关电源或太阳能电池板进行供电，利用蓝牙进行数据实时返回。系统硬件设计如图2所示。

2.1单片机最小系统电路

智能节能鞋柜系统采用STM32F103RBT6作为总控制器,选择此种单片机型号有3点原因：（1）其强大的处理速度远远高于51系列单片机、MSP430系列单片机；（2）GPIO口相对较多，充分满足我们外设传感器需要众多引脚的要求；（3）在程序编写过程中，整体的程序框架更清晰、更加地模块化。

2.2电源及光耦隔离电路设计

（1）太阳能电池板及开关电源的选择：太阳能电池板采用光伏发电系统的12V家用单晶太阳能电池板，单晶硅太阳能电池是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。开关电源采用输入电压为115~223V，输入电流为0.45~0.8A，输出电压为-12~+12V，输出电流均为3A的成品模块。降压电路以LM2940芯片进行电路设计，该电路可以把12V电压降为5V。

（2）光耦隔离电路设计：光耦隔离电路对输入、输出电信号有良好的隔离作用，本设计中的光耦电路采用的芯片型号为HCPL-2630，该芯片可以实现双路信号的隔离。

2.3温湿度检测及气体浓度检测系统

温度检测选用DS18B20传感器，该传感器具有成本低、功耗小的优点。湿度检测选用DHT11传感器，该传感器测量准确，操作简单易上手，价格低廉。气体浓度检测选用MQ135传感器，该传感器可以实时检测鞋柜内部气体浓度。

2.4加热除湿系统

加热部分采用高效节能的PTC加热陶瓷与散热风扇对鞋柜内部进行加热除湿，PTC发热体有热阻小、换热效率高的优点。通气风扇采用5V低功率机箱散热风扇，既能节约能量又能起到通风换气的效果。

2.5杀菌除臭除尘系统

通过臭氧发生器产生的臭氧，对鞋中臭味所含的氨、甲硫醇等气体成分进行氧化分解，从而达到除臭的目的。通过负离子发生器产生的负离子对擦鞋后飘在空气中的细菌和灰尘等进行沉降，达到除尘除灰的目的。

2.6显示系统

本设计所使用的显示模块是2.7寸TFT液晶屏，该屏可以高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。

2.7无线传输系统

使用HC-05蓝牙模块与移动端进行通信，移动端通过串口助手控制鞋柜，该型号蓝牙具有速度快，配对简单等优点。

三、智能消毒鞋柜系统软件设计

采用C语言作为代码语言，利用keil5平台进行编写开发。程序基于STM32F103RBT6进行编写，该型号单片机引脚众多且内部资源丰富，模块化编程通俗易懂。整体方案是单片机初始化整个系统，温湿度传感器率先工作，当柜内湿度过高则触发加热除湿系统，由DS18B20感知温度控制加热系统的停止；当MQ135检测到柜内气体浓度过高时，则触发臭氧发生器模块进行除臭，之后则进行擦鞋系统的处理，负离子发生器会对空气中的细菌和灰尘等进行沉降；检测气体异味浓度，判断鞋子当前的洁净度，并将信息反馈给单片机从而触发排风擦鞋模块，开始清洁鞋子。

3.1加热除湿程序设计

在加热除湿的程序设计上，首先单片机进行初始化，DHT11进行柜内温度采集，当数值超过了预定阈值，则触发PTC加热系统，加热后的温度数值由DS18B20监控，当温度数值大于预定阈值，则停止PTC陶瓷片加热，除湿完毕后触发排风擦鞋模块，相关数据通过蓝牙传到移动端，移动端用户也可以通过串口助手对鞋柜进行控制。

3.2杀菌除臭除尘程序设计

在杀菌除臭除尘的程序设计上，单片机进行初始化，MQ135进行柜内气体浓度检测，当气体浓度大于预定阈值，则触发臭氧发生器，产生臭氧对气体中有关成分进行氧化。当氧化、擦鞋清洁后空中存在细菌和灰尘，通过负离子发生器进行沉降，再经由通风管道排出。

四、消毒鞋柜的系统调试

对系统进行测试，温湿度传感器采回数据与目标值进行比对，当湿度超过预定阈值，PTC陶瓷则开始加热除湿，温度大于阈值便停止加热，防止过热造成系统损坏，加热结束后，MQ135开始检测气体浓度，当柜内气体浓度大于阈值，臭氧发生器开始工作，同时，负离子发生器进行沉降除尘。

经过实际测试，各个外设传感器均可正常工作（ON-工作，OFF-停止），据观察与相关数据的显示，相比于普通的电子消毒鞋柜，该系统加大对加热除湿、杀菌消毒方面的强度，并且，太阳能供电起到节能环保的作用。在调试过程中，针对DS18B20读取频繁导致不精准，致使加热系统一直工作这一问题，设计增加了1套算法，即设定1个目标值，温度达不到则会一直上涨，一旦达到或超过阈值，立刻通过继电器停止加热系统工作，之后进行杀菌除臭系统的同时，再次打开继电器，这样就解决了由于DS18B20偶尔的非正常工作导致系统异常的问题。据整体调试及数据显示，各个传感器均在可控制范围内，实现反馈控制，整个系统实现预期要求。

总结

基于闭环反馈控制理论设计的节能鞋柜系统，实现了温湿度反馈、加热除湿、杀菌除臭以及排风打扫清洁功能，有效提升了家居鞋柜的智能性、实用性、节能环保性和低成本性，同时，该系统可通过无线系统进行简单的人机交互，具有容易控制的特点，在智能节能鞋柜乃至家居领域具有一定应用价值和创新意义。

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