孫 靜， 許恒銘， 楊榮業(yè)， 田樹林

(安徽新華學院電子通信工程學院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來家電的更新?lián)Q代日趨智能化，而冰箱的智能化進程比較緩慢，主要原因是市場應用中更注重其保鮮功能，因此對其交互式智慧操作的研究一直較少[1]。傳統(tǒng)機械式的溫控冰箱外形中規(guī)中矩且笨重，存放物品過多時容易遺忘存放時間，導致物品過期形成浪費。因此本文從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，設(shè)計一款低能耗、環(huán)保型的智能冰箱，不僅外形創(chuàng)新[2]，也能讓用戶及時了解存放的物品信息，及時合理地享用新鮮食物[3]。本系統(tǒng)體現(xiàn)的智能冰箱設(shè)計思維，為未來健康智能家電的研究和應用提供了創(chuàng)新思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計智能冰箱含有4個獨立存儲空間，存儲平臺能夠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)物品的快速精準存取，對冰箱存儲狀態(tài)及存儲時間等信息能實時觀測并顯示，同時將信息發(fā)送到手機端，通過APP還可以設(shè)置物品定時食用及過期時間提醒，實現(xiàn)物品的分類和有效管理[4-5]。該功能設(shè)計模塊由單片機、4個壓力傳感器模塊、1個時鐘模塊、1個藍牙模塊、5個按鍵、1個舵機和1個液晶顯示模塊構(gòu)成，各模塊之間的連接及工作原理如圖1所示。

壓力傳感器檢測平臺是否有物品存放，按鍵模塊進行存儲區(qū)域和時間的操作，單片機收到信息和時鐘模塊數(shù)據(jù)后，分別傳遞信息給液晶顯示模塊、藍牙模塊以及舵機模塊。液晶顯示模塊顯示時間及存儲平臺狀態(tài)，舵機模塊按照設(shè)定要求進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，藍牙模塊與手機藍牙設(shè)備匹配后發(fā)送當前更新的信息。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

各模塊實物如圖2到圖5所示，硬件電路整體設(shè)計如圖6所示。

時鐘電路：DS1302時鐘芯片內(nèi)部含有實時時鐘日歷，通過同步串行方式與單片機通信，提供年、月、日、時、分、秒的信息。復位引腳接單片機的P2.7口，接收到高電平時實現(xiàn)復位功能。SCLK接單片機的P2.5口，接收到高電平實現(xiàn)串行時鐘的輸入，雙向數(shù)據(jù)線接口I/O接單片機的P2.6口。

圖2 時鐘模塊

圖3 壓力傳感器

圖4 舵機模塊

液晶顯示電路：顯示器件選用LCD1602，D0～D7口連接排阻后分別連接單片機的P0.0到P0.7口，供電后P0口接收到高電平會顯示冰箱名稱及時間信息。

圖5 藍牙模塊

圖6 硬件電路圖

壓力傳感器電路：冰箱存儲區(qū)為圓柱形空間，豎直方向4等分，采用4個HX711高精度壓力傳感器用于檢測有無物品存放，分別代表冰箱四個存儲空間，可以實現(xiàn)物品的分類管理。4個壓力傳感器連接在單片機的P0口，共用同一個電源、共地；數(shù)字輸出和串口數(shù)據(jù)輸出端口DAT分別連單片機的P0.0,P0.2,P0.4和P0.6口，輸入為低電平時有效；數(shù)字輸入和串口時鐘輸入端口SCK分別連單片機的P0.1,P0.3,P0.5和P0.7口，輸入時鐘脈沖數(shù)不應少于25或多于27，否則會造成串口通訊錯誤。

舵機模塊電路：采用360°舵機作為存儲平臺全方向移動的驅(qū)動源，VCC和GND分別電源和接地，信號線SIGN為舵機的標志位。當連接單片機的P2.4口接收到高電平后，按照程序設(shè)定的內(nèi)容進行角度旋轉(zhuǎn)。

按鍵電路：采用獨立按鍵，分別連接單片機的P1.0到P1.4口，高電平時工作。按鍵1和2分別控制物品的插入和取出，按鍵3和4控制存儲區(qū)間旋轉(zhuǎn)至冰箱門，選擇在冰箱的不同空間存取物品，按鍵5設(shè)置存取物品在液晶顯示屏上的顯示時間。

圖7 主程序流程圖

圖8 按鍵子程序流程圖

藍牙模塊電路：ATK-HC05藍牙模塊用于單片機和手機間的通信連接，模塊的TXD和RXD引腳分別連接單片機P3.0和P3.1口。上電以后，模塊上的LED燈為閃爍狀態(tài)，此時處于從機模式，與手機成功連接后，LED燈會變?yōu)槌Ａ痢?/p>

圖9 通電后實物圖

圖10 選擇界面

圖11 提示開冰箱門

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)接通電源后，初始化液晶屏、定時器、壓力傳感器，液晶屏初始化為白屏，將顯示模塊和LCD需要的地址信息發(fā)送出去后，檢測LCD是否工作，是則讀取數(shù)據(jù)，否則寫數(shù)據(jù)顯示。此時掃描按鍵是否按下，如果是則檢測是幾號按鍵并執(zhí)行相應操作。當壓力傳感器感受到有物品時會產(chǎn)生信號，此時通電后時鐘模塊開始工作，二者將采集到的信息發(fā)送給單片機，單片機將得到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后發(fā)送給藍牙模塊，成功激活發(fā)送信號后，藍牙接收信息并與手機藍牙匹配，手機APP上會顯示物品的信息。如果是通過手機APP發(fā)送指令給冰箱，則通過藍牙收發(fā)模塊傳遞信號給單片機，單片機將接收到的信號后處理后再發(fā)送命令到其他模塊。主程序和按鍵子程序流程圖如圖7和圖8所示。

圖12 提示關(guān)門

圖13 物品存放成功

圖14 手機APP界面

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

以透明亞克力板制作冰箱存儲空間為圓柱形平臺，以舵機為旋轉(zhuǎn)中心、亞克力板隔開形成四個扇形存儲區(qū)域，每個存儲區(qū)貼上編號，下方安裝一個壓力傳感器用于檢測物品。按照硬件電路設(shè)計圖連接各模塊，并完成程序編寫和燒錄，同時制作手機APP顯示界面，最后完成本系統(tǒng)的實物制作。

系統(tǒng)供電后，液晶屏顯示“智能旋轉(zhuǎn)冰箱”以及時間信息，如圖9所示。執(zhí)行物品存放操作，按下按鍵1后，四個存儲區(qū)均無物品，所以液晶屏顯示四個均無物品，如圖10所示，此時進入選擇界面。再次按下按鍵1，提示打開冰箱門進行存物品操作，液晶屏顯示“請開門！”，如圖11所示。以杯子為樣品，選取4號冰箱空間并把樣品存進去，顯示屏上會顯示“請關(guān)上門！”表示物品存放成功，關(guān)閉冰箱門，如圖12所示。此時返回選擇界面，顯示屏變成“四有物品”，如圖13所示。此時智能冰箱的存儲信息經(jīng)過藍牙模塊發(fā)送到手機，APP顯示正在連接直至連接成功，對于已經(jīng)存放的物品，可以通過APP設(shè)置物品食用日期和過期日期提醒，手機界面如圖14所示。

5 結(jié) 語

本文以單片機為核心，結(jié)合壓力傳感器、舵機、DS1302時鐘、獨立按鍵以及LCD1602顯示屏等元件模塊，設(shè)計了一款智能旋轉(zhuǎn)冰箱，以藍牙模塊為通信元件，實現(xiàn)了物品的有效檢測和合理食用提醒，達到了健康管理的效果。基于此設(shè)計還可以擴展其他功能，如(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：實現(xiàn)多層多區(qū)域物品旋轉(zhuǎn)存??；(2)功能擴大：冰箱內(nèi)部增加氣味傳感器，及時識別物品是否過期并發(fā)出報警信號；(3)通信模式拓展：以WIFI通信替代藍牙通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與管理[6]。該系統(tǒng)設(shè)計方案及作品獲得2017年安徽省高校物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新大賽技能組二等獎，隨后獲批2018年國家級大學生創(chuàng)新訓練項目，設(shè)計思路創(chuàng)新且應用前景廣闊。