基于STM32控制的自动口罩售卖系统设计

马文亮 侯宝华 梁丽秀 曹军 吴汶骏 汤梓涵

基金项目：全国大学生创新项目（塔里木大学）；项目编号：202210757037。

作者简介：马文亮（2001— ），男，甘肃天水人，本科生；研究方向：新能源发电技术。

*通信作者：侯宝华（1989— ），男，辽宁葫芦岛人，讲师，硕士；研究方向：新能源发电技术。

摘要：随着国家碳排放和碳达峰总体方案的公布，新能源发电技术逐渐融入工业领域，备受消费者的青睐。文章提出了一种基于STM32单片机控制的节能型自动口罩售卖机，主要由STM32主控电路、移动支付模块、智能取出货模块、超声波消毒模块等组成，20 kW光伏发电组件为整套系统提供电能，一定程度上解决了供能的局限性和购买的便捷性。通过仿真实验、数据分析，得出系统运行误差在0.5～0.8 s内，整套系统运行效果良好。

关键词：光伏发电；移动支付；超声波消毒；口罩自动售卖

中图分类号：TP368 文献标志码：A

0 引言

近年来随着国家重工业的大力发展，我们的生活环境逐渐恶化，空气中的有害因子不断增加。环境中的隐藏病毒无声地危害着人们的健康，新冠病毒来袭使得防护变得极其重要。口罩作为人们最广泛使用的防护措施，很多人在使用口罩进行防护上存在很多问题，如口罩售卖的途径、口罩的存贮安全等，人们缺乏利用口罩自我防护的意识，不仅影响自己健康，还影响他人健康［1］。

本文研究了一种运行可靠、操作简单且实用性强的自动口罩售卖系统来满足人们的日常生活需求，为人们的安全保驾护航。

1 系统整体设计方案

本设计主要由移动支付模块、STM32主控模块、自动补货模块（机械臂口罩吸盘装置）组成，采用内部超声波消毒和出口紫外线消毒的方式相结合，保证了从口罩售出到用户手里全程消毒，实现全自动售货与补货，系统组成装置如图1所示。

该装置出货模块采用四自由度的机械臂配合真空吸盘［2］，通过STM32单片机对四个自由度的RDS3115舵机进行控制，与吸盘相配合完成口罩的抓取自动出货系统三维图如图2所示。

1.1 STM32主控最小系统

本设计是以STM32F103C8T6单片机的最小系统为主要控制系统进行设计，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64 KB，正常工作电压2.0～3.6 V。其内部含有模数A/D转化器，晶振、复位等电路；并且含有精准的电机控制的PWM输出，功耗非常低、兼容性极强，并且具有128字节RAM端口更好完成通信与连接；含有多个I/O口，并且所有的端口都可以映射到16个外部中断向量；除了模拟输入，其他端口均可接受小于5 V的输入；STM32F103C8T6单片机最小系统的原理如图3所示。

1.2 超声波雾化消毒模块

超声波雾化是利用电子高频振荡（振荡频率为1.7MHz或2.4MHz，该电子振荡对人体及动物没有任何影响）［3］，主要进行细菌的裂解，与传统的消毒方式相比，此方式消毒更加全面并且能源节省了90%。另外，在雾化过程中将释放大量的负离子，其与空气中飘浮的烟雾、粉尘等产生静电式反应，使空气得到净化，减少疾病的发生。

1.3 吸盘装置

利用空气的压缩原理设计真空吸盘对口罩实现无接触提取，对于面积不同而产生的吸力不同的问题，采用经验公式进行计算得出当真空一定，即吸力一定时，吸取单个口罩的吸盘面积大约为13～15cm2。数据如表1所示。

式（1）中：W为吸力，单位N；P为真空值，单位为kPa；C为吸盘的面积，单位为cm2。

1.4 小型光伏供电系统

此口罩售卖系统主要由光伏供电系统进行供电［4］。该系统主要由太阳能光伏板、电流、电压转化器、控制器以及蓄电池组成，以太阳能光伏板对太阳能进行转化为主体，将太阳能转化为直流电压再通过电流转换器转换为交流电流供设备使用，使用电压转化器进行电压的转换完成系统电压的多级应用，蓄电池将多余的电能进行储存提高系统的可靠性。小型离网型光伏发电系统的原理如图4所示。

1.5 移动支付系统

通过数据间的转接完成购物，使用移动终端对所购买的产品进行结算支付，售卖数据等更清晰。该系统具有时空限制小、方便管理、隐私度高、综合性强等特性［5］。

2 仿真与分析

2.1 程序設计

首先启动设备完成系统初始化，同时支付模块工作并判断是否进行购买操作，如果进行购买则主控系统开始运行并经过时钟配置运算，控制相应的舵机开始口罩的出货，与此同时，消毒系统对口罩进行消毒，最终将口罩运送给用户并进行信号反馈完成售卖；如果未进行购买，则返回顶级进行下一次售卖准备。程序设计主要流程如图5所示。

2.2 仿真分析

通过软件对程序流程进行编程后，为了验证智能口罩售卖系统的基本功能，采用Proteus仿真软件进行仿真分析。Proteus具有虚拟模型仿真、PCB图设计等功能，可以对本设计在软件硬件相结合的情况下所存在的主要问题进行分析、测试。仿真结果如图6所示。

仿真过程中，各模块运行稳定（注：误差在0.5 s内是系统可接受的误差）；出货系统和吸盘的工作时间在预算时间之内（0.8～1.2 s）；光伏供能相对稳定，电压的偏差不受影响，在实验预测范围内，系统可以迅速操作。以上的仿真实验表明该设计在使用过程中可以实现基本功能，完成口罩的全面消毒、智能售卖。

3 结语

本文通过对移动支付模块+STM32单片机控制电路、超声波消毒模块等进行硬件结构的构建分析，并运用仿真软件、绘图软件验证系统的合理性，最后通过具体试验得出测试结果，验证了此系统可以基本实现功能。设计结论如下：

（1）本文提出了一種体积较小的自动口罩售卖系统，可以解决人们在日常生活中对口罩售卖的便利和安全性。

（2）通过采用无接触吸盘取货的方式，减少了单个包装的资源浪费和环境污染。采用新型能源光伏发电给系统供电，不但节约资源而且保护环境。

（3）通过软件的仿真分析，本文验证了STM32单片机可以精准地进行时钟的配置，完成口罩的售卖。

（4）测试表明，此口罩售卖机消毒全面，操作简单，反应快速，功能稳定，与人们的生活关系密切，有广阔的应用前景和市场。

参考文献

［1］苗雨晨.基于雾霾防护的口罩售卖机设计［J］.艺术科技，2019（2）：52，87.

［2］冯帅，周一凡，汤茗尧，等.基于单片机的拾取机械臂系统设计与控制［J］.电工技术，2019（18）：12-13，18.

［3］徐汉林，张景景，彭奕豪.单向传感超声波雾化消毒装置［J］.发明与创新（高中生），2021（11）：16-17.

［4］易子豪，酉育红，李国伟，等.基于光伏供电的语音识别垃圾智能系统设计［J］.江苏科技信息，2021（14）：45-48.

［5］齐蒙，刘璐.移动支付用户体验模型实证研究［J］.设计，2022（5）：37-41.

（编辑 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