一种雨伞干燥及鞋底清洁两用装置

蔡展标 许生鸿 廖健林 杨冬涛 黄杰贤

(嘉应学院电子信息工程学院，广东 梅州 514015)

一种雨伞干燥及鞋底清洁两用装置

蔡展标 许生鸿 廖健林 杨冬涛 黄杰贤*

(嘉应学院电子信息工程学院，广东 梅州 514015)

本文提出了一种雨伞干燥及鞋底清洁两用装置的创新实践方案，采用双STM32 F10 3 R B T 6单片机作为智能控制中心，通过引入串口通信和外部中断检测技术把电动机主控器和信息处理与显示控制系统联系起来，组成完整的多功能清洁干燥装置。该一体化系统使用编程思路与硬件设计相结合的方法控制装置实现鞋底清洁、雨伞干燥、人机界面交互的功能，具有电路简单灵活、元件识别度高的特点。用户可通过电阻触摸屏直接查看设备的实时状态。经过测试，结果表明其具备较高的稳定性和可行性。

STM32F103RBT6；鞋底清洁；雨伞干燥；能耗制动；人机界面

1 引言

当前对于雨伞干燥与鞋底清洁的相关设备在市面上被很多地方使用，然而，现有的雨伞干燥技术主要还是以加热方式居多，为实现干燥目的而加热所产生的热量白白浪费，无法得到有效的循环利用，容易造成安全事故，甚至成为促成热污染的一个因素，况且加热需要的电能成本相对较高。另外，如今市场上人们常用的鞋底清洁仪器很多存在设备小型而无法清洁干净的问题，即便是稍微大型的鞋底清洁机也少有能够很好地涵盖清洁和吸水双重功能的，而且雨伞的干燥作用与鞋底的清洁作用往往独立设计成不同的产品，设计类型及功能结构比较单一，智能化程度普遍不高，没有从根本上解决实际问题。

单相交流电机的定子上一般有主绕组和副绕组，定子绕组通过正弦电压产生交变脉动磁场，使用成本较低，效率很高[1]。为此本项目以单片机系统为平台，电动机及处理设备为主要控制对象，利用综合布线技术、通信技术、自动控制技术、音频、视频技术将有关的设施进行高效集成，构建一体化的控制管理系统，构建智能、安全、便利的生活环境。

2 系统结构框图

STM32单片机功耗小、运算速度快，硬件上拥有多个通用定时器，集成了多路12位A/D转换器和串口，时钟频率高达72MHz,GPIO口的配置模式多样，特别是具有丰富的中断资源。通过合理调用多种中断能够实现对多个电机进行控制，考虑到STM32单片机方便高效的开发环境使操作更加简便，运算速率快等优点，选择了STM32F103RBT6作为主控制器的芯片[2,3]。设计了一个以STM32F103RBT6单片机为控制系统、主要涵盖电机控制、一线串口技术的智能语音播报和单总线接口的DHT11温湿度传感器、液晶显示等功能的装置，该装置拥有雨伞干燥和鞋底清洁双重功能。总的系统框图1如图所示。雨伞干燥器的平稳停车过程设计表现在：硬件上做好延时关断与延时导通电路规划，达到电机刹车时能及时往其线圈接入直流电源对其能耗制动的效果。同时利用多路ADC采集技术对鞋印箱体及水槽的水深测量并计算，系统还实现了液位实时监测与警戒液位报警、水泵的自动和手动抽水控制。进一步使用VGUS4.0软件开发出人机界面，方便把实时的信息送到液晶电阻屏上显示。又引入热释电人体红外传感器和激光对射光电开关，结合双向可控硅驱动器MOC3041的具体设计，当单片机检测到过零信号后完成双向晶闸管的触发脉冲的产生，实现对鞋底除尘、吸水电机的启动与停止控制、雨伞干燥器电机的运转和刹车控制，锁存电路的添加确保吸水电机启动的同时马上断开除尘电机的运行以节约能耗。大功率的电机控制系统经常存在电磁问题，可以通过金属屏蔽网解决辐射干扰，还可以采用单点接地、分离信号线与地线的方式除去传导过程中引起的干扰[4]。系统绝大部分电路统一使用开关电源进行供电，以提供足够大和比较稳定的电压和电流。

图1 系统框图

3 硬件电路设计

硬件电路设计包括：电动机主控模块的选择、信息处理与显示控制系统设计、鞋底清洁电机驱动电路设计、雨伞干燥器模块设计、过零检测与延时电路设计和电机转速调控模块设计等主要电路的设计制作。

3.1 电动机主控模块的选择

电动机的控制系统采用STM32F103RBT6单片机作为系统的主控制芯片，主要完成过零信号的实时检测并且产生过零触发信号等任务，根据引脚PA7检测到的刹车信号来产生控制电动机的能耗制动及时开始与停止的制动信号。通过发光二极管的发光状态，可以即时了解到系统是否处于能耗制动状态。系统包含复位电路、选取8MHz晶振的时钟电路，电动机主控器原理图如图2所示，单片机可以通过手动按键复位，按下复位键S后低电平使单片机上电初始化。PA4引脚加入热释电可以防止整套装置开机时能耗制动电路出现交流通路和直流通路瞬间同时接入制动电路情况的发生，大大提高安全系数。

图2 电动机主控器原理图

3.2 信息处理与显示控制系统设计

信息处理与显示控制系统包括由蜂鸣器和三极管共同组成的警戒水位报警器电路，DHT11温湿度传感器模块、3.3V直流稳压电路、模拟量输出的水深传感器、DC12V小水泵的驱动控制电路、按键监测以及基于串口通信的N9200 MP3语音播报模块。DHT11温湿度传感器作为二进制数字式信号输出传感器，不容易受复杂的环境影响，其串行单总线接口输出方式能双向传输时钟和数字信号，几乎同步采集到温度和湿度信号，且硬件设计简单,功耗模式切换速度快，测量到的数据准确可靠[5]。按键S1为手动启动小水泵的功能键，人为按下该键水泵开始抽水作业，释放按键后水泵停止工作。其中，按键S1、温湿度传感器模块的DATA端、箱体右水位的检测端Sensor1、箱体左水位的检测端Sensor2、水槽水位深度的检测端Sensor3、DC小水泵的驱动信号端、高清IPS液晶电阻屏的数据接收端、MP3语音播报的一线串口输入端分别连接到信息处理与显示控制单片机的PB5、PC1、PA1、PA5、PA6、PB7、PA9、PA4引脚，信息处理与显示控制系统原理图如图3所示。

图3 信息处理与显示控制系统原理图

3.3 鞋底清洁电机驱动电路设计

鞋底清洁电机驱动电路包括鞋底除尘电路设计和鞋底吸水电路设计。鞋底清洁电机驱动电路由热释电人体红外传感器、MOC3041、双向晶闸管、三极管NPN8050、PNP8550、LM358等组成，LM358与三极管PNP8550构成锁存控制电路。图4鞋底清洁电机驱动设计原理图中MOC3041为光电耦合器中的一种光电耦合双向可控硅驱动器，通过发光二极管触发输出端的电子器件即硅光敏双向晶闸管和过零触发检测器，在电压过零时会触发可控硅,用来驱动后级的BTA系列双向晶闸管，并且起到隔离的作用。R30、R40、R7的加入限制了触发回路中的电流。按照计算和调试，R41、R21、R10分别取值75Ω、75Ω、47Ω，串入BTA系列双向晶闸管的门极后防止其误触发，提高抗干扰能力，又能够维持晶闸管导通的最小电流。当电动机主控模块的信号端口输出正脉冲信号时三极管导通，此时如果热释电人体红外传感器检测到有人经过，则MOC3041导通，触发BTA系列晶闸管导通，接通交流电动机，反之晶闸管截止，电动机保持停止状态。另外，在BTA系列晶闸管阴极和阳极之间并联一个RC阻容吸收电路，如图4，R8、C1；R20、C3；R43、C4两两构成阻容吸收电路，实现晶闸管的过电压保护，避免当电动机线圈两端电流为零时，作为反向电压的电源电压和电动机自感电动势的共同作用，使得晶闸管承受的电压值远远超过电源电压而容易击穿。

图4 鞋底清洁电机驱动设计原理图

3.4 雨伞干燥器模块设计

雨伞干燥器模块原理图如图5所示，该模块电路主要由两大部分组成：控制导通的电机驱动电路和能耗制动电路。通过使用激光对射光电开关感应电平①的变化，以及增加了STC12C5A60S2单片机小系统在检测雨伞到位后输出电平②并锁存10s的干燥时间，①②通过标准逻辑芯片形成“与”关系。系统设置了6s的安全缓冲时间，在用户将雨伞放置到位后，计时开始，6s的时间内用户若将放置好雨伞取走，系统将控制电机一直不工作，若6s的时间到达，雨伞仍放置到位等待干燥，则系统将启动电机运转。

目前针对离心类电机的制动大多采用机械抱闸达到刹车的目的，制动的材料需要频繁更换，且刹车过程强硬，容易损坏电机的情况，提供一种柔性制动的方法即基于直流电源的能耗制动，对于感性负载，在直流电源侧应当加上续流元件或过压保护元件[6]。能耗制动部分电路采用硬件和软件相结合的设计方法，硬件上把工频电经过整流滤波得到325V直流电，再由4个交直流通用双向固态继电器构成能耗制动时切换交直流通路的关键部件，固态继电器的输出端并联压敏电阻和串联快速熔断保险管进行过压、过流保护。另外，通过编写程序控制三极管的导通与关断间接控制固态继电器得电与失电，进而达到及时切除交流通路，接入直流电源电路实现能耗刹车的控制效果，经测量刹车时间为5s。

图5 雨伞干燥器模块原理图

3.5 过零检测与延时电路设计

过零检测与延时电路设计原理图如图6所示。基于LM358的过零比较器、电阻分压电路、起隔离作用的光耦TLP521与三极管、10K电阻构成过零信号输出电路。光耦K1隔离交流电与直流电成分以避免短路，12V的一端交流信号波经过电阻分压得到3.3V的压降输入比较器反相输入端，另外一端的交流信号波与0V压降连接后输入比较器的正相输入端，比较器的结果是得到一串方波，当正弦交流电压接近12V时，三极管的基极的偏置电阻电位使之导通，产生正脉冲信号。当检测到方波的上升沿或下降沿时表示220V交流信号过零，CPU收到中断请求，为了提高效率，使触发脉冲与交流电压尽可能同步，此时在中断服务程序中通过电动机主控器的PA1、PA5、PA11引脚同步发出大于或等于半个交流电压周期即10ms时间间隔的触发脉冲即可触发三极管导通，电压大于4V的脉冲触发BTA系列晶闸管导通，保证电动机的运转正常不抖动。

图6 过零检测与延时电路设计原理图

三极管Q1的输出端连接到电动机主控器的外部中断PB14的输入引脚，及时响应中断的产生，然后在中断服务子程序中使用通用定时器累加移相时间，实践证明，为增大双向晶闸管的导通角度，端口发出MOC3041的同步触发信号的时间间隔为12.5ms。

555集成电路电压范围较广，可设计成单稳态工作模式的时基电路，其中，通过2端输入脉冲触发信号构成延时型的单稳态触发器，若将其运用于定时模式下，则能够设计出开机时产生高低电平的定时精度高的电路，而且暂稳态模式下的持续时间可通过外接电阻和电容调节，方便使用[7]。在图6中，系统的延时电路主要分为延时导通和延时关断电路，采用NE555集成芯片T4、肖特基二极管D1、光耦T1、电容和比较器电路、电位器R2构成雨伞干燥器的延时导通电路。通过电位器R2能够调控不同的导通时间，本课题根据实际情况已经设定为6s。

另外，延时关断电路负责能耗制动时切换电路时间的调节，其中包含了由电容、电位器R4、取样电路和NE555芯片T3组成的分立元件电路，该电路的作用是在能耗制动开始之前提供1s的延时时间切除交流通路，克服刹车过急带来的不稳定因素。电动机主控模块的PB7引脚检测T3芯片输出端的电平状态变化后即时通过PB5引脚向T3芯片的触发点发出触发脉冲，控制能耗刹车的开始与结束。

3.6 电机转速调控模块设计

双向晶闸管是交流无触点开关，广泛应用于快速开启与关断等操作频繁的场合，无火花，但必须在阴极和阳极承受压降的条件下提供合适的触发脉冲才能导通[8]。为确保安全，需要对雨伞干燥器电机的转速进行调节，适当降低电机的转速，由于电机采用的是单相电容运转式交流电机，故调节的转速不能过小，否则电机因功率不足将导致发烫严重。如图7电机转速调控原理图所示，R4和C4对电动机启动或者切换瞬间可能出现的尖峰脉冲进行消除，减少对其他电路块的冲击。在门极施加正向或负向触发信号，管子能触发导通，控制触发脉冲的施加时间就能改变晶闸管的导通角度，实现交流负载的调压和调功，体积较小且使用便捷，其应用于交流电路中需要维持控制极触发脉冲，否则当交流电压过零时晶闸管将会关断[9]。调节R2的阻值控制CBB电容的充放电时间，从而实现对BTB型晶闸管的导通角大小的改变，直接改变转速的高低。其中R1和R3固定电阻共同限制了触发回路的电流大小。

图7 电机转速调控原理图

4 软件设计

系统的软件部分使用Keil uVision5和STM32 ST-LINK Utility两个软件进行程序的编译、在线调试以及下载烧录。其系统的软件设计包括有：串口通信、外部中断、定时中断、语音播报时序、A/D转换、逻辑控制、单总线数据传输等7大部分。

4.1 信息处理与显示控制系统主程序流程图

系统主程序流程图如图8所示。系统上电后马上初始化操作，同时语音播报“系统自检中，请稍候”，自检成功后系统将会提示用户“系统启动成功，欢迎体验”。接下来系统一直循环检测水槽以及两个鞋印箱体的水位高度，采集DHT11的温湿度后一同把数据通过串口发送到液晶电阻屏幕上。如果鞋印箱体某处的水位高于设定值，则蜂鸣器会报警提醒用户，如果水槽水位超过警戒水位，则小水泵自行启动抽水维持水位平衡。随后语音播报的内容会跟随用户完成鞋底清洁和雨伞干燥的环节的不同而变化。

图8 系统主程序流程图

4.2 电机主控系统信号流程图

电机主控系统信号流程图如图9所示，首先对需要用到的单片机引脚进行普通或复用配置，然后对各管脚进行初始化，根据设计需要对中断前后进行调度。主函数一直在循环等待启用的中断请求发生，也即单片机系统将按照程序提前设定好的中断向量分组以及中断优先级的高低响应并处理中断事件，从而产生脉冲信号驱动相应的电机。

图9 电机主控系统信号流程图

5 实验测试及结果分析

装置整体效果图如图10所示，在实际生活中让用户亲身体验，对装置进行测试后得到以下结果：

图10 装置整体效果图

（1）雨天时，一旦用户将携带的雨伞放入雨伞干燥附加装置中进行水滴吸收，语言播放模块会自动开启，提醒人们“为保证您的安全，请在6s的时间内放置好雨伞”，在走过雨伞的过程中，语音也会同时播报“雨天湿滑，请走稳扶好”。而且当雨伞干燥完成之后智能语音提醒用户“请取走雨伞，谢谢使用”，均不出现误播报情况。

（2）在出入口等地方使用该装置，不管晴天还是雨天情形，只要热释电人体红外传感器检测到有人踏上防滑踏板，控制系统会立即响应，启动相应电机进行鞋底的除尘和同步吸水作业。在鞋底吸水电机开始运行时会自动切断鞋底除尘电机以节约能耗，满足设计需要。整套装置可移动，也可固定位置使用。

（3）雨伞干燥器能够按照预定设计要求，当热释电人体红外传感器检测到有人把雨伞放置到位后，延时6s启动电机，在能耗制动开始前先切除交流通路，然后接入直流通路能耗制动，再切除直流通路，最后复位交流通路，刹车时间5s，整个刹车过程用时7s。制动过程不出现故障，时间正常。

（4）当鞋印箱体的水位达到警戒水位35mm时，对应的报警器会各自独立报警，互不影响，提示用户及时打开水阀把鞋印箱体的水排放。雨伞干燥器甩出的水能够顺利经导管流入水槽中，且当水槽的液位高度达到设定值38mm时，小水泵随即启动进行抽水直到液位低于38mm。当用户定期清理水槽底部的泥土时，可以手动按键把水槽的水完全抽干，然后倒入干净的水。

（5）用户在使用本装置前能够通过屏幕直接了解到使用说明和熟知当前的环境温湿度，可以方便地随时查看各环节液位状况。吸水电机排放的热空气一部分通过圆孔泄漏，用户走过其上方可进行烘吹处理，大大提高了水分的吸收率。

（6）由于热释电人体红外传感器自身容易受到大风环境、阳光直射的干扰而产生误动作，故在其周围增加抗风和挡光措施，基本不影响装置的整体功能。另外电机属于大功率电机，运行过程中产生的噪声使用吸音棉适量吸收，仍然适用于公众场合。

（7）在鞋底清洁电机轴承带载试验中，运用杠杆平衡原理，一端装清水的小桶共计933g拉力，另一端装清水的大桶外加鞋子共计11.658Kg拉力，经计算负载转矩约为0.882N*m。

6 总结

本装置是美化环境的智能综合控制平台。实验结果显示，雨伞干燥及鞋底清洁两用装置能够适应晴天和雨天两种不同天气情况，确保清洁的速度能够达到快速级别，在短短的时间内（只允许不超过一分钟）自动完成所有清洁任务，以缩短人们停留时间。在无人经过时，该装置可以自动切换到待机状态，断开吸水除尘部分电路，以节约能耗。可以说，从出入通道口这些基本源头上解决目前各种人口流动频繁场所经常出现的晴天灰尘遍地，以及雨天过后上述地方出现的场地湿漉、肮脏等问题。该装置应用前景可观，具有较高的实用价值。相同条件下，比起其他同类型的设备，本装置自动化程度高、吸水和刷尘的能力更强，可循环利用时间长并且卫生可靠，非常适合各种地方应用。

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Umbrella Drying and Sole Cleaning Dual Purpose Device

Cai Zhanbiao Xu Shenghong Liao Jianlin Yang Dongtao Huang Jiexian*
(Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong)

In this paper,a kind of innovative solution for the dual purpose device about umbrella drying and sole cleaning is put forward.The system is designed using two STM32F103RBT6 micro-controllers as the intelligent control center.Through the introduction of serial communication and external interrupt detection technology,the complete multi-function cleaning and drying device is composed of the motor master controller which is connected to the information processing and displaying control system.The integrated system uses programming method and hardware design to achieve the functions of cleaning,drying,and human-machine interface.Meanwhile,the circuit is simple and flexible,together with high degree of component recognition.All users could check the real-time status of the device through the resistive touch screen directly.After testing,the results show that it has good stability and strong feasibility.

STM32F103RBT6；sole cleaning；umbrella drying；energy consumption braking；human-machine interface

TP23

A

1008-6609(2016)10-0010-06

作者介绍：蔡展标（1994-），男，广东汕头人，大学本科，研究方向为工业控制技术。

*通信作者介绍：黄杰贤（1982-），男，广东梅州人，博士，讲师，研究方向为图像处理与模式识别。

2016年广东大学生科技创新培育专项资金资助项目，项目编号：pdjh2016b0464；2016年广东省大学生创新训练计划项目，项目编号：201610582022。