基于stm32 与51 交互式终端的多功能口罩回收售卖机设计

文/ 东北林业大学 孟令欣 朱玉杰 张妍 周培钊 杨宇航 张博瑞

目前，针对口罩回收售卖机这一领域的文献较少，本文将现有口罩售卖机存在的矛盾通过TRIZ理论进行分析找到解决方案，并通过stm32与51单片机应用于口罩回收售卖机的设计来实现解决方案，找到符合发明原理及国家标准的设计。其中，stm32单片机负责控制整个系统的主要功能，如口罩回收、消毒和售卖等，具有性能较高、处理能力较强、丰富的外设接口，可实现复杂的控制逻辑和通信功能；51单片机则主要负责辅助功能，如用户界面的显示和输入、环境监测等，具有低功耗、简单易用和稳定可靠的特点。

苏联发明家根里奇.S.阿奇舒勒等提出了可解决创造性问题的理论方法和工具——TRIZ理论，其总结了各种技术发展进化遵循的规律模式，并提出了解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则。TRIZ理论应用过程的基本思路如图1所示。

图1 TRIZ理论解决问题基本思路示意图

TRIZ理论的核心理念之一是分析与解决矛盾。矛盾可描述为由改善方案引发的冲突， 一个方案在改善系统某个参数的同时会伴随着另一个参数的恶化。利用TRIZ理论，通过问题对应的技术参数寻找矛盾，还应用发明原理解决矛盾。

一、口罩回收售卖装置现状及冲突分析

1.1 现状分析

防疫理念深入人心，一次性医用外科口罩是普通个体最重要、最基础的防护用品，以微信小程序为媒介建立实体设备与轻型应用的关联是引导流量的有效工具。由于口罩及相关健康保障需求，防护装置也在不断地发展迭代。

1.2 冲突分析

本文对现有口罩回收售卖机进行分析，考虑口罩回收售卖装置现状与安装、使用过程中的实际需求，结合当下各公共场所管理实际情况，发现目前市场上使用的装置在智能控制、交互体验、供应链和库存，以及空间设计上均存在问题。

1.2.1 智能控制方面

口罩回收售卖机通常需要准确地识别口罩后进行回收。但智能识别技术可能会面临挑战，特别是在处理不同型号、颜色或状况的口罩时，只使用光学传感器或压力传感器可能无法准确地辨别口罩的状态，进而影响回收准确性和质量。

1.2.2 交互体验方面

口罩回收售卖机的用户界面应该易于使用和理解。但一些设计，如简单的按钮设计可能存在指示不清晰或反应迟钝的问题。这些问题可能会导致用户困惑，出现耗费时间甚至选择放弃使用等情况。

1.2.3 供应链和库存方面

口罩回收售卖机涉及销售和支付环节。如何与口罩厂家建立有效的支付和结算系统，确保回收的口罩得到适当的补偿，并进行准确的账务处理，是需要解决的问题之一。

1.2.4 空间设计方面

口罩回收售卖机通常需要在有限的空间内提供多种功能，如回收、消毒和售卖口罩。然而，如果功能区域设计不合理，空间没有得到合理利用，这可能导致设备内部空间过于拥挤，造成用户操作不便，或需频繁维护和清洁机器的结果。

二、基于TRIZ理论的解决问题方案

2.1 TRIZ理论的应用思路

在冲突中找到发明的关键环节是TRIZ理论的核心思想，所以找出技术冲突是进行TRIZ理论创新设计的基础。结合上文所述，口罩回收售卖机要在智能控制、交互体验、供应链和库存、空间设计四个方面进行改进。依据TRIZ理论，首先要从问题的来源确定矛盾，而矛盾包括有利和不利方面。本文将有利和不利之处与39个通用工程技术参数建立联系，有利之处对应欲改善的参数，不利之处对应欲恶化的参数，每一组欲改善和欲恶化的参数组成一组冲突后，再利用矛盾矩阵找出发明原理解决问题。

2.2 口罩回收售卖机方案利弊分析

由于TRIZ理论第一步需从问题的来源确定矛盾，而矛盾包括有利方面和不利方面，下面对口罩回收售卖机方案利弊进行分析，如表1所示。

2.3 技术矛盾转化

利用矛盾矩阵将上述方案的利弊与39个通用工程参数分别进行匹配，参数匹配情况如表2所示。

表2 技术矛盾参数匹配情况

2.4 基于阿奇舒勒矛盾矩阵的设计分析

在进行技术冲突分析后，本文通过查阅阿奇舒勒冲突矩阵，得到矛盾矩阵如表3所示。根据口罩回收售卖机的实际需求，最终筛选出的发明原理为局部质量改善原理、自服务原理和替代机械系统原理。

表3 基于阿奇舒乐矛盾矩阵的设计

2.5 发明原理的创新设计

根据上文确定的发明原理，对口罩回收售卖机做出以运行高效、功能多样、识别精准为目的的创新设计方案，下面将改进功能所集中的区域列为A区示意。（见图2）

图2 机器功能区域各部位示意图

2.5.1 局部质量改善原理

装置各部位功能专一且连接紧密，通过添加隔板（2）使装置分为上下两部分，上部为口罩售卖部位，下部为口罩回收处理部位。同时通过利用立体化原理实现功能分区，前部为健康码识别处，侧面（1）为口罩售卖回收处理部位，设置手部清洁装置，在保障功能同时尽可能地减小占地面积。

2.5.2 自服务原理

在回收装置（3）顶部设置MH-Sensor-Series 光敏电阻传感器，通过光电效应检测放入物品合法性，采用 TCRT5000红外反射传感器，同时输出T T L 信号与数字模拟信号至STC89C52RC控制器，若识别不合法，则蜂鸣器语音提示；若识别合法，则舵机扭转开启入口。

此外，Wi-Fi信号与服务器相连，通过数据库储存数据建立统一的控制系统，该系统可以自主矫正确保用户投入机器的口罩符合回收要求。

2.5.3 替代机械系统原理

为便利确定用户身份并且进行智能化管理，应将用户信息实时传输至云平台，将信息储存至云服务器中，从而提高数据的安全性，便利数据查找，减少人力资源浪费。同时，为鼓励口罩使用者定点丢弃口罩，设置口罩回收统计系统（4、5），将个人信息实时传输至云平台进行积分记录、兑换等功能。在云平台中，可清晰观测各项相关数据，有益于对信息进行处理和整合，提高工作效率。

三、总结

通过应用TRIZ理论中的局部质量改善原理和自服务原理，本文对现有口罩回收售卖机进行了改良设计。这些改良措施着重于提高用户的参与度和自主性。

例如，设计中赋予用户矫正投入口罩的自主权，使用户能够主动参与并负责投放符合回收要求的口罩；通过设置口罩回收统计系统来代替传统的机械系统原理，可提升用户的参与感和责任感，增强用户对回收要求的认知和理解。这些改进体现了工业工程中的人因工程思想，强调用户的参与、人机交互和错误容忍能力的重要性，以提高整体系统的效能和用户体验。