基于STC单片机的闭环反馈控制智能鞋柜系统设计

汤知日

摘要：设计一种能够以闭环反馈形式控制的智能鞋柜系统以控制其温湿度、杀菌除臭除尘的功能。该系统以STC单片机为核心，利用加热陶瓷、风扇和温湿度传感器组成温湿度的闭环控制系统，利用臭氧发生器、气体检测器、负离子发生器和灰尘传感器组成杀菌除臭除尘功能的闭环控制系统，使智能鞋柜系统根据实际情况调整温湿度以及臭氧负离子的浓度，从而提高智能鞋柜的用户友好度。

关键词：智能鞋柜；闭环控制；用户友好度

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0232-03

Design of Closed-Loop Feedback Control Intelligent Shoe Cabinet System Based on STC Microcontroller

TANG Zhi-ri

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： This paper designed an intelligent shoe cabinet system， which can form a closed-loop feedback control， to control the function of temperature and humidity， sterilization， deodorization and dusting. The system adopted STC microcontroller as the core CPU. It used heating ceramic， fan and temperature and humidity sensors to form the temperature and humidity closed-loop control system， and ozone generator， gas detector， anion generator and dust sensor to form the function of sterilization， deodorization and dusting closed-loop control system， which make shoe cabinet system to adjust the temperature and humidity and the concentration of ozone and anion to improve its used-friendliness.

Key words： intelligent shoe cabinet； closed-loop control； user-friendliness

近年来，智能家居的发展迅速，这其中就包括了家居中必不可少的鞋柜。很多知名的家电公司都在这个方面投入了大笔的开发资金，市面上也已经出现了许多不同功能不同作用的智能鞋柜。但无一例外的是，暂时还没有利用闭环反馈来对智能鞋柜所拥有的功能进行自动调控的产品出现，现有的智能鞋柜仅仅依赖时间为唯一判定标准来实现各项功能，其用户友好度和智能度并不尽如人意[1]。因此，作为智能家居更加友好化智能化的方向，设计出一种拥有结合实际鞋柜需要以及各种外界环境因素改变而进行自动调控闭环反馈系统的智能鞋柜势在必行。

目前，国内外现有的智能鞋柜功能繁多，其中以康耐斯智能鞋柜与索菲智能鞋柜为代表。康耐斯智能鞋柜在传统鞋柜的基础上，增加了除臭杀菌的功能，其除臭杀菌功能是利用臭氧的强氧化性以及在被分解后无味无臭的特点，加上对鞋柜进行保温处理，从根本上解决真菌、细菌等带来的脚臭问题；而索菲智能鞋柜则摆脱了传统鞋柜单一储存功能的局限，是一种集杀菌除臭、除湿去霉及储存保洁等功能于一身的新型现代化智能鞋柜[2]。

总结而言，市面上现有智能鞋柜的主要功能有：

加热除湿：现有智能鞋柜中，多采用高效节能的PTC加热陶瓷与散热风扇对鞋柜内部进行加热除湿。

杀菌除臭：通过产生臭氧对鞋中臭味所含的氨、甲硫醇等进行氧化分解，从而达到除臭的目的。

液晶显示：利用LCD显示屏对鞋柜内部的温湿度等参数进行显示。

自动擦鞋：现有智能鞋柜普遍附带有自动擦鞋的功能，便于日常生活使用。

因此，作为一个可以进行完善以及改进的部分，本文拟采用STC单片机的信号采集以及处理的功能可以对现有的智能鞋柜进行改进[3]，给出一个完整的闭环控制智能鞋柜的设计模型，并且结合现有的硬件设备做出成品。

1智能鞋柜系统原理设计

1.1 系统的构成

本文预期利用现有的硬件设备实现设定功能，利用PTC加热陶瓷和风扇对鞋柜内部进行加热除湿，并且结合温湿度传感器对鞋柜内部的温湿度进行实时监控以及信息反馈；利用臭氧发生器进行高压放电产生臭氧，实现杀菌除臭的功能，并结合气体检测器对鞋柜内部的臭氧浓度进行监控反馈；在现有智能鞋柜功能的基础上，加入利用负离子发生器产生负离子实现对空气除尘的功能，再结合灰尘传感器对负离子除尘的效果进行监控反馈。系统的主要构成如图1所示。

1.2 加热除湿系统的硬件选择及软件流程

由于在鞋柜中放置的鞋大多数为皮革制品，故而在相对湿度高于75%的环境中容易滋生霉菌，而在我国许多南方地区，每年更是有很大比例的天气相对湿度高于这个数值，并且考虑到冬天时鞋柜内气温过低直接穿鞋很不舒服[4]。综合以上因素，选择将鞋柜内的湿度控制在75%以下，温度控制在15℃以上。

实现该系统功能的硬件选择市面上现有的智能鞋柜普遍采用的CSH3B-F2150K装置，包括PTC加热陶瓷与静音长寿命风扇进行加热和除湿。选择使用常见的DHT系列的YS-31单总线数字温湿度传感器DHT11进行温湿度及时数据的采集[5]。

利用STC单片机对实时温湿度数据信号进行采集，并利用单片机上的继电器功能控制加热除湿装置的通断即可。加热除湿系统软件流程如图2所示。

1.3 杀菌除臭除尘系统的硬件选择及软件流程

杀菌除臭的功能是利用臭氧的可以氧化臭味中所含的氨、甲硫醇等成分实现的，再结合鞋柜的大小尺寸实际需要，进而选择市面上现有小发生量的高压放电式的臭氧发生器以及MQ131臭氧传感器进行功能的实现。MQ131臭氧传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2），其电导率随着空气中臭氧浓度的增大而增大，即可以进一步利用简单的转换电路将电导率的变化转换为与此时臭氧浓度相对应的输出信号[6]。在检测到的臭氧浓度超过阈值时再利用继电器功能断开臭氧发生器的开关。由于空气中臭氧浓度一般不会超过0.1ppm，作为空气除味与杀菌，要求臭氧浓度较低，如0.5ppm（1mg/m?），而物品表面消毒（杀灭微生物和去除化学污染）则要求提高几十倍的臭氧浓度[7]。故而结合实际需要，我们将臭氧的阈值浓度设定为4.7ppm。此外，由于过量臭氧对人体有害，所以将臭氧的发生设定为按键控制的单次的发生-断开的闭环控制系统较为妥当。

除尘功能的实现是利用负离子对在擦鞋后飘在空气中的细菌和灰尘等进行沉降。由于负离子对人体无害且发生功耗较低，所以与加热除湿系统一样采用实时闭环反馈控制。硬件部分选择了一个普通家用可调控的负离子发生模块实现负离子发生的功能，打开开关即可发生负离子。选择使用DSM501A灰尘传感器进行实时监控，将检测到的灰尘浓度转换为低脉冲信号进行显示，二者之间呈线性关系[8]。与臭氧的闭环反馈控制系统类似，在灰尘浓度低于阈值时利用继电器断开负离子发生器的开关，实现闭环控制的功能。

2 实验及结果

由STC单片机、PTC加热陶瓷、风扇和温湿度检测器组成的加热除湿系统结构如图4所示。该加热除湿系统可以自动检测鞋柜内部温湿度，根据软件流程安排实现预期加热除湿的功能。

分别在温度和湿度分别高于或低于设定阈值的共四种外环境条件组合下对加热除湿系统进行功能验证实验，实验结果表明，在非极端天气状况下，加热除湿系统开始工作之后大约15～20min即可达到预期效果，并且在温度低于阈值或湿度高于阈值时可以再次启动。

由STC单片机、臭氧发生器、气体检测器、负离子发生器和灰尘传感器组成的杀菌除臭除尘系统结构如图5和图6所示。该杀菌除臭除尘系统可以根据鞋柜内部的臭氧和灰尘浓度的检测来自动发生臭氧和负离子，并根据软件流程安排实现预期的杀菌除臭除尘功能。

在非极端温湿度外环境条件下进行杀菌除臭除尘功能的验证实验，实验结果表明，该系统在开始工作之后大约10～15min即可使得臭氧浓度达到阈值、灰尘浓度低于阈值，并且在实现预期功能之后可以自动关闭，在再次打开臭氧发生开关或灰尘浓度高于阈值时可以再次启动。

对整合系统进行不同外环境条件下的实验可以表明，该闭环反馈智能鞋柜系统可以在较短时间内实现预期功能，在原有的智能鞋柜基础上极大地提升了用户友好度和智能度。

3 结语

本设计主要利用现有的单片机技术，利用其信号采集以及处理的手段对现有的智能鞋柜进行改进，使得该设计改变了原有智能鞋柜只依赖时间为唯一标准的弊端，而实现了结合实时状态进行自动调控温湿度以及杀菌除臭除尘的功能，在现有的智能鞋柜基础上提高了智能度，同时进一步提升了用户友好度。

本闭环控制智能鞋柜系统在温湿度以及臭氧、灰尘的检测上灵敏度较低，预期改进措施是选择精度以及灵敏度更高的硬件设备进行实验，有待进一步尝试。

智能鞋柜，乃至是智能家居的应用必然会越来越普遍，而智能鞋柜的用户友好度和智能化程度则是制约其推广应用的主要因素。基于单片机闭环反馈功能的智能鞋柜，能够真正结合鞋柜内部实时状态，对各种功能进行调控，减少了人为的主动控制，拥有更好的用户友好度和智能度。

参考文献：

[1] 蒋飞.现代家居鞋柜设计趋势探究[J].产业与科技论坛，2015（1）：116-117.

[2] 李鑫，韩均雷，苏勇勇，等.智能鞋柜发展现状研究[J].电子世界，2016（1）：56-57.

[3] 鲁杰爽.单片机Keil软件仿真与调试技巧[J].电子制作，2010，（8）：50-52.

[4] 贺婷.基于FPGA的智能鞋柜控制系统设计[J].人工智能及识别技术，2012，3（7）：1581-1582.

[5] 董小雄. 节能环保、长寿命、高安全PTC陶瓷片加热技术的运用[J].科技创新与应用， 2015（17）：106.

[6] 周明军，尤佳，秦浩，等.电导率传感器发展概况[J].传感器与微系统，2010，29（4）：9-11.

[7] 林爱红.臭氧杀菌效果的影响因素分析[J].湖北预防医学杂志，2002（6）：7-8.

[8] 韩树璘.负离子空气净化器设计与应用技术研究[D].吉林：吉林大学，2009.