基于感知的温控奶箱设计

2015-01-22朱洪飞钱超义

产业与科技论坛 2015年16期

□沈欢朱洪飞钱超义

目前，一般用塑料或者铁皮作为制作奶箱的材料，它不具有保温功能，牛奶会因环境温度升高或较长时间没被用户取走等因素发生变质。一般的制冷手段都是压缩式制冷，体积大、能耗高且制冷剂对环境也有一定的污染，并不适合奶箱的保鲜制冷，针对此问题，本文介绍了一种基于感知的半导体制冷奶箱，它可以根据实际情况，智能化地对牛奶进行制冷，保证其新鲜度;并利用射频识别技术对牛奶送、取的管理进行了优化。本奶箱采用arduino单片机作为控制核心，Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。它适用于各种不同基础的人群，编程语言简单易学，与其他软硬件有着很好的兼容性。

一、硬件组成总体方案设计

表1 各个模块名称及功能

一是设计奶箱的整体逻辑框架，利用Arduino单片机的开源硬件，综合前人的代码编写，进行修改、添加，在面包板上试验达到预想的效果。二是制作电路板并测试，使得整个系统实现功能。三是制作实物模型，将电路板和整个传感器进行联调。整个逻辑框架主要包含以下的八个模块(见表1)。

二、安装调试

(一)安装注意事项。

1．奶箱组装。奶箱组装就是把温度传感器模块、半导体制冷模块、RFID电磁锁模块、电路机模块等组装成一套完整的奶箱(如图1所示)。

图1 智能奶箱硬件系统构成

2．接线连接。接线连接就是用导线连接温度传感器模块、半导体制冷模块、RFID电磁锁模块和电路机模块。注意电源接线不能接反，否则容易烧毁器件，不同器件的接线方法也不一定相同。

(二)调试注意事项。

1．OLED调试。对于OLED调试，需要将所需显示的字通过取字模软件，转换成16进制的数据，存放在数组中，然后调用OLED显示程序进行显示。

2．ds18b20温度传感器调试。对于ds18b20温度传感器，在本文中我们只用到了其中的两根线，分别是中间的数据线和地线，其接线图如图2所示。

图2 ds18b20温度传感器接线图

3．RFID调试。对于RFID调试，只需要将SCK、MISO、MOSI、SDA(在RC522中即为CS)、RST这几个引脚与单片机相应的6、7、8、9、A3接口进行相连就行。其他多余的引脚可以悬空，从而可以节省单片机有限的引脚资源。

4．TCRT5000红外对管收发调试。TCRT5000红外对管收发管调试时，需要用到单片机的模拟口进行数据的采集。然后将采集到的数据量化成相应的电压值，通过判断反射不同的电压数据值来进行鉴别。其接线图如图3所示。

图3 TCRT5000接线图

图4 温控奶箱工作流程图

三、系统整体功能

整体功能流程(如图4所示):送奶员刷卡把牛奶放入奶箱后，光电传感器会检测到奶箱内已经放入牛奶，此时温度传感器开始对奶箱内的温度进行采样，并与设定的温度进行比较，如果箱内温度高于设定的温度，半导体制冷片就会自动开启制冷;当用户取出牛奶后，系统会感知到奶箱内已经没有牛奶，就会自动停止制冷，实现了只有在奶箱内有奶且温度高于设定温度才会开启制冷的效果。不仅保证了牛奶的新鲜，而且达到了节约能源的效果。温控奶箱的结构框图如图2所示，其工作原理为:当RFID感应器被射频卡唤醒后，就将射频卡的卡号和单片机内部存储的数据进行比较，若卡号相同，则单片机给继电器2端口上电，继电器吸合，外部电源给电磁锁供给12V电源，使得电磁锁得电吸合，奶箱门打开。当送奶员将牛奶放入箱体内后，光电传感器发出的光遇到牛奶外壳后反射，给单片机返回一个高电压值，单片机就能判断牛奶已经放入箱体，从而给继电器1端口上电，继电器吸合，外部电源给帕尔贴供给12V电源，帕尔贴开始制冷。在整个过程中，温度传感器不间断地采集箱体内的温度，通过奶箱门上的液晶显示屏显示。

四、关键技术的实现

(一)奶箱散热的实现。奶箱的外壳使用了铝制外壳，利用金属铝的导热特性来进行散热，箱体的制冷内胆和外壳加上绝缘处理，使得制冷所制造的热量能及时通过大面积的铝壳散出去，从而达到很好的节能和制冷效果。我们通过温度传感器可以非常精确地实时监控箱体内的温度，从而更好地给牛奶保温。考虑到铝制外壳周围温度较高的时候，无法实现自发散热，在外壳的顶部另加了一个散热片，并通过风扇将热量强制性散去。

(二)整体模块稳定的实现。整体功能要把温度传感器模块、半导体制冷模块、RFID电磁锁模块等组装成一个完整的系统，然后进行系统性的联调。对于单一模块的调试比较简单，但是一旦将整个系统的各个模块都合并起来就变得复杂起来，要考虑各部分之间的相互影响。经过不断的调试，预想功能得到了实现，但系统也仅在室内进行调试，能达到稳定工作的效果，相对于比较复杂的外部环境来说，我们并没有进行全面的实验。系统功能的实现不仅要考虑软件上的问题，更多要考虑硬件上的一些复杂问题，这里面有许多和物理相关的知识，例如金属的导热性、散热的条件、还有一些更加复杂的电磁感应、静电屏蔽等问题。