基于单片机的智能鞋柜控制系统

王加泽 赵建彪 何秋实 唐宏亮 吴晓雪

（大连海洋大学信息工程学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

中国产业信息网发布的《2012～2018 年中国智能家居产业发展动态及投资潜力硏究分析报告》称，我国智能家居潜在市场规模约为5.8 万亿元，发展空间巨大，现如今智能家居产业已经进入蓬勃发展期[1]。其中，家电类智能家居产品市场份额最高[2]，市场占比超过70%。一方面，由于产品价格和功用性等问题，因此家电类智能家居设备整体増速较慢。另一方面，智能照明、家用摄像头等小型产品不仅价格较低，而且能够满足消费者的即时需求，因此市场増速较快。目前，智能家居市场还处于培育阶段，操作简单、极致体验是智能家居发展的关键。需要将智能控制技术应用到传统家具中，使家具具有自动化、人性化以及方便性等特点[3]。

在发展空间方面，我国智能家居行业潜在市场规模巨大。根据中国室内装饰协会智能化委员会的分类，智能家居系统产品共分为20 个类别，包括控制主机、智能照明系统、电器控制系统、家庭背景音乐、防盗报警、电锁门禁、智能遮阳以及智能家电等。

1 智能鞋柜的设计意义

传统鞋柜通常都是用木材打制的，非常容易发霉、发潮和发臭并且还会散发有害气体[4]。当人们下班回家时，该鞋柜可以自动将要换穿的拖鞋放至用户脚下，通过辅助脱鞋装置无须弯腰即可完成换鞋动作，之后鞋会自动放置在鞋架的指定位置或随机空位上，用户出门前鞋柜可联网提供一些穿鞋建议[5]，例如根据天气、鞋子的使用频率来推荐当天穿的鞋子等，用户也可以自主选择，改善了用户卫生坏境，提高了人们的生活品质，还可以为不便弯腰的老人提供帮助[6]。

2 基于单片机智能控制鞋柜的设计构想

2.1 运输与储存模块设计

图1 高精度X-Y 工作台

运输板和存储板的每个鞋位下均安装有限位开关，以感知该位置上是否有鞋，从而提供更精确的定位和服务。由于运输板和鞋位架的交错式设计，因此可以巧妙地存放、取用鞋子，具体放鞋过程如图2 所示，取鞋过程反之即可。

图2 取放鞋过程

存储模块是由多个存储板组合而成的鞋位架，存储板间用光轴相连，一端装有舵机，通过齿轮齿条机构调整各个存储板之间的相对距离，以便空出足够的运输通道，最大程度地提高空间利用率。

2.2 脱鞋模块设计

基于抵靠脚脱鞋的习惯以及满足鞋柜运输架工作要求，该文设计了脱鞋装置。首先，为了提高空间利用率，该文采用两侧导轨辅助稳定的方法，使脱鞋装置与主体可以进行相互运动并且使用弹簧轨道实现轻推开关脱鞋装置。当脱鞋时，脚需要抵靠脱鞋装置的弧形板。

开启态：如图3 所示，4 片支撑板会收缩，底板会与圆弧板侧靠齐，方便用户脱鞋时抵靠住弧形板。

图3 开启态

关闭态：如图4 所示，底板会向另一侧移动，支撑板向上运动抬起鞋子，方便鞋柜的运输架插入鞋子底部。

图4 关闭态

2.3 消毒清洁模块设计

清洁模块由排风扇、清洁器以及喷淋装置组成。排风扇为离心式双向排气结构，叶片为对称叶型，在进气和排气模式下都能有较高的效率，排气口尾部有石棉过滤网，吸收排出气体的异味。在日常生活中，人足分泌的汗液导致鞋子内部长时间繁殖各种细菌和真菌且鞋子内部潮湿，会助长细菌滋生[7]。因此，有效的排风是很重要的。

深度学习研究逐渐从宏观概念向技术支撑下的深度学习转变 从研究内容转变上看，由2005年开始的深度学习概念的引入，到2012年教学策略、问题解决，再到2014年翻转课堂、MOOC、SPOC等技术在深度学习研究中的应用，可以看出深度学习从概念模式向基于技术的深度学习研究转变，众多研究立足于如何使用当代技术促进深度学习的发生，提高学生的核心素养。

喷淋装置由1 台有刷电机水泵和其支撑架组成，预期可以通过喷洒酒精或者喷淋空气清新剂等液体来减少鞋柜内部的异味[8]。

清洁器由无刷云台电机、连接台、柔性滚动清洁器、旋转台以及舵机摆动器等组成。

清洁过程（如图5 所示）如下：在放入鞋子前，清洁器处于最高状态，以确保鞋子顺利放入，鞋子由高精度X-Y工作台放入清洁模块中，同时排风系统开始工作，确保空气流通，鞋子完全放入后，清洁器开始向下偏转直至与鞋壁贴紧，然后云台无刷电机开始工作，带动柔性滚动清洁器转动 ，滚动清洁鞋体表面，根据清洁需要选择是否喷淋清洁溶液。

图5 鞋子进入清洗器的过程

2.4 智能控制模块设计

控制系统的核心是STC89C52 单片机，STC89C52 是一款低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器[9]。针对每个鞋位是否有鞋的检测，在每个鞋位制作一个简易的压力开关，利用矩阵键盘扫描原理对每个鞋位是否有鞋进行检测。针对控制运输板的运动，使用2 台步进电机在平面内对运输架进行控制。通过2 个步进电机转不同的圈数控制运输架到达鞋架的任意位置。鞋托上会有2 个光电门，通过记录经过几个标志物来判断此时运输架的位置。部分电路图和程序代码如图6 所示。

图6 PCB 板电路图

对模块的设计来说，该文将在已有数据的基础上对实物的结构进行分析。

人机交互面板设计，晶码管控制面板设置9 个数字按键（1、2、3、4、5、6、7、8 和9）、4 个功能（除臭、烘干、紫外杀菌和除尘）以及2 个按键（确定、取消）。如果用户在脱鞋后想对鞋进行功能处理，只需要按相应的功能按键，再单击确定即可。如果没有操作，就等待一定时间，运输架会自动将鞋运送至空位。

取鞋的方式有2 种，一是直接从鞋架上拿取，二是按数字按键输入鞋位编号，再按确定按键。等待鞋处理完后，直接可在取鞋位穿鞋。按相应的按键晶码管进行显示，以便用户操作。

3 智能鞋柜的结构分析

3.1 易损结构受力分析

鞋子种类多种多样，该团队进行充分调查，结果显示，平均每双鞋的质量为0.611 5 kg。为了校验脱鞋装置和运输板工作时的受力情况，按照1 ∶1 的比例制作了仿真模型并进行受力分析。

首先，将建立的脱鞋机构基体三维模型导入SolidWorks软件并利用simulation 进行有限元分析，假设下部与轨道接触的部位为固定支持，鞋柜底面对其下部施加20 N 的支持力，弹簧槽处与弹簧接触处分别为8 N 的集中力，各连杆与基体连接处为10 N 的集中力。其次，划分网格，求得基体总应变最大为0.266 mm，位于基体前端直角连接处，满足强度要求。该仿真模型得到的最大应力为0.36 MPa，前端直角连接处的应力最大，在实际生产中应给予局部加强。

3.2 空间利用率分析

根据大部分用户需求，每个鞋位尺寸设定为240mm×320mm×150mm（可根据需求适当更改），每层设置4～5 个鞋位，正常鞋柜设定为8 层即可满足正常家庭的需求，此时鞋柜尺寸为1.25m×0.40m×1.60m，与正常鞋柜大小相仿，由于该鞋柜为自动机械取鞋，因此可以增加层数。

4 智能鞋柜的数据核算

4.1 齿轮齿条机构的核算

实际鞋位架为2 层，每层满载时的鞋数量一致。现假设鞋的平均质量相等，因此仅需要校核任意一层。当某一层放置满鞋时（5 双鞋），每双鞋平均重量为611.5 g 且每层鞋位架质量为2 kg，当任意一层满载时鞋架总质量如公式（1）所示。

4.1.1 几何参数

齿轮齿数Z=20，齿宽b=20 mm。

4.1.2 强度计算

由于齿轮齿条运行环境为低速低载荷，因此只需要考虑齿轮齿条的强度即可，强度如公式（2）所示。

式中：σf为齿轮齿条的强度；K为载荷系数；T1为小齿轮的转矩；YFa载荷作用于齿顶时的齿形系数；YSa为载荷作用于齿顶时的应力修正系数；b为轮齿宽度；z1为小齿轮齿数；m为模数。

由于选用大扭矩360°舵机，齿轮所承受的冲击较为均匀，因此载荷系数K=1.2。查表得齿形系数YFa=2.93，应力修正系数为YSa=1.56，齿宽系数φd=0.8，那么就有公式（3）～公式（5）。

式中：[σF]为许用弯曲应力。

综上所述，可以得到公式（6）、公式（7）。

该文选择的齿轮的材料为45号调制钢，它的σF=450 MPa，根据鞋柜的工作情况，取SF=1.3，解得m≥0.3，综合结构尺寸考虑，取m=1.5。

4.2 电能消耗的核算

该智能鞋柜采用家庭常用的220 V 交流电供电，用电设备为STC 8951 芯片、TFTLCD 电容屏、3 套42 步进电机、14 个SG5010 舵机以及2 个无刷电机。STC 89C51 芯片运行功率较小，可忽略不计。

TFTLCD 电容屏的功率如公式（8）所示。

3 套42 步进电机的功率如公式（9）所示。

14 个SG5010 大扭矩舵机（运动状态）的功率如公式（10）所示。

2 个无刷电机的功率如公式（11）所示。

机器运行最大总功率如公式（12）所示。

5 结语

该文设计了一款独特的智能鞋柜，将X-Y工作台的理念应用在鞋柜上，使取/放鞋更方便、更便捷。该智能鞋柜的控制核心是STC89C52 单片机，可以有效地控制鞋柜的各种功能。该文设计的智能家居鞋柜功能齐全，抗干扰能力强，具有较强的自动控制系统和良好的使用周期，改善了传统鞋柜的不足，实用性更高。