馬文亮 侯寶華 梁麗秀 曹軍 吳汶駿 湯梓涵

基金項(xiàng)目：全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（塔里木大學(xué)）；項(xiàng)目編號(hào)：202210757037。

作者簡(jiǎn)介：馬文亮（2001— ），男，甘肅天水人，本科生；研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)。

*通信作者：侯寶華（1989— ），男，遼寧葫蘆島人，講師，碩士；研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)。

摘要：隨著國(guó)家碳排放和碳達(dá)峰總體方案的公布，新能源發(fā)電技術(shù)逐漸融入工業(yè)領(lǐng)域，備受消費(fèi)者的青睞。文章提出了一種基于STM32單片機(jī)控制的節(jié)能型自動(dòng)口罩售賣(mài)機(jī)，主要由STM32主控電路、移動(dòng)支付模塊、智能取出貨模塊、超聲波消毒模塊等組成，20 kW光伏發(fā)電組件為整套系統(tǒng)提供電能，一定程度上解決了供能的局限性和購(gòu)買(mǎi)的便捷性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，得出系統(tǒng)運(yùn)行誤差在0.5～0.8 s內(nèi)，整套系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；移動(dòng)支付；超聲波消毒；口罩自動(dòng)售賣(mài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)家重工業(yè)的大力發(fā)展，我們的生活環(huán)境逐漸惡化，空氣中的有害因子不斷增加。環(huán)境中的隱藏病毒無(wú)聲地危害著人們的健康，新冠病毒來(lái)襲使得防護(hù)變得極其重要。口罩作為人們最廣泛使用的防護(hù)措施，很多人在使用口罩進(jìn)行防護(hù)上存在很多問(wèn)題，如口罩售賣(mài)的途徑、口罩的存貯安全等，人們?nèi)狈每谡肿晕曳雷o(hù)的意識(shí)，不僅影響自己健康，還影響他人健康［1］。

本文研究了一種運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)的自動(dòng)口罩售賣(mài)系統(tǒng)來(lái)滿足人們的日常生活需求，為人們的安全保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要由移動(dòng)支付模塊、STM32主控模塊、自動(dòng)補(bǔ)貨模塊（機(jī)械臂口罩吸盤(pán)裝置）組成，采用內(nèi)部超聲波消毒和出口紫外線消毒的方式相結(jié)合，保證了從口罩售出到用戶手里全程消毒，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)售貨與補(bǔ)貨，系統(tǒng)組成裝置如圖1所示。

該裝置出貨模塊采用四自由度的機(jī)械臂配合真空吸盤(pán)［2］，通過(guò)STM32單片機(jī)對(duì)四個(gè)自由度的RDS3115舵機(jī)進(jìn)行控制，與吸盤(pán)相配合完成口罩的抓取自動(dòng)出貨系統(tǒng)三維圖如圖2所示。

1.1 STM32主控最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)是以STM32F103C8T6單片機(jī)的最小系統(tǒng)為主要控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，正常工作電壓2.0～3.6 V。其內(nèi)部含有模數(shù)A/D轉(zhuǎn)化器，晶振、復(fù)位等電路；并且含有精準(zhǔn)的電機(jī)控制的PWM輸出，功耗非常低、兼容性極強(qiáng)，并且具有128字節(jié)RAM端口更好完成通信與連接；含有多個(gè)I/O口，并且所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量；除了模擬輸入，其他端口均可接受小于5 V的輸入；STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理如圖3所示。

1.2 超聲波霧化消毒模塊

超聲波霧化是利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7MHz或2.4MHz，該電子振蕩對(duì)人體及動(dòng)物沒(méi)有任何影響）［3］，主要進(jìn)行細(xì)菌的裂解，與傳統(tǒng)的消毒方式相比，此方式消毒更加全面并且能源節(jié)省了90%。另外，在霧化過(guò)程中將釋放大量的負(fù)離子，其與空氣中飄浮的煙霧、粉塵等產(chǎn)生靜電式反應(yīng)，使空氣得到凈化，減少疾病的發(fā)生。

1.3 吸盤(pán)裝置

利用空氣的壓縮原理設(shè)計(jì)真空吸盤(pán)對(duì)口罩實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸提取，對(duì)于面積不同而產(chǎn)生的吸力不同的問(wèn)題，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算得出當(dāng)真空一定，即吸力一定時(shí)，吸取單個(gè)口罩的吸盤(pán)面積大約為13～15cm2。數(shù)據(jù)如表1所示。

式（1）中：W為吸力，單位N；P為真空值，單位為kPa；C為吸盤(pán)的面積，單位為cm2。

1.4 小型光伏供電系統(tǒng)

此口罩售賣(mài)系統(tǒng)主要由光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行供電［4］。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏板、電流、電壓轉(zhuǎn)化器、控制器以及蓄電池組成，以太陽(yáng)能光伏板對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化為主體，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電壓再通過(guò)電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為交流電流供設(shè)備使用，使用電壓轉(zhuǎn)化器進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換完成系統(tǒng)電壓的多級(jí)應(yīng)用，蓄電池將多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存提高系統(tǒng)的可靠性。小型離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理如圖4所示。

1.5 移動(dòng)支付系統(tǒng)

通過(guò)數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)接完成購(gòu)物，使用移動(dòng)終端對(duì)所購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)算支付，售賣(mài)數(shù)據(jù)等更清晰。該系統(tǒng)具有時(shí)空限制小、方便管理、隱私度高、綜合性強(qiáng)等特性［5］。

2 仿真與分析

2.1 程序設(shè)計(jì)

首先啟動(dòng)設(shè)備完成系統(tǒng)初始化，同時(shí)支付模塊工作并判斷是否進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)操作，如果進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)則主控系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行并經(jīng)過(guò)時(shí)鐘配置運(yùn)算，控制相應(yīng)的舵機(jī)開(kāi)始口罩的出貨，與此同時(shí)，消毒系統(tǒng)對(duì)口罩進(jìn)行消毒，最終將口罩運(yùn)送給用戶并進(jìn)行信號(hào)反饋完成售賣(mài)；如果未進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)，則返回頂級(jí)進(jìn)行下一次售賣(mài)準(zhǔn)備。程序設(shè)計(jì)主要流程如圖5所示。

2.2 仿真分析

通過(guò)軟件對(duì)程序流程進(jìn)行編程后，為了驗(yàn)證智能口罩售賣(mài)系統(tǒng)的基本功能，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真分析。Proteus具有虛擬模型仿真、PCB圖設(shè)計(jì)等功能，可以對(duì)本設(shè)計(jì)在軟件硬件相結(jié)合的情況下所存在的主要問(wèn)題進(jìn)行分析、測(cè)試。仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真過(guò)程中，各模塊運(yùn)行穩(wěn)定（注：誤差在0.5 s內(nèi)是系統(tǒng)可接受的誤差）；出貨系統(tǒng)和吸盤(pán)的工作時(shí)間在預(yù)算時(shí)間之內(nèi)（0.8～1.2 s）；光伏供能相對(duì)穩(wěn)定，電壓的偏差不受影響，在實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以迅速操作。以上的仿真實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)在使用過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)基本功能，完成口罩的全面消毒、智能售賣(mài)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)移動(dòng)支付模塊+STM32單片機(jī)控制電路、超聲波消毒模塊等進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建分析，并運(yùn)用仿真軟件、繪圖軟件驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性，最后通過(guò)具體試驗(yàn)得出測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了此系統(tǒng)可以基本實(shí)現(xiàn)功能。設(shè)計(jì)結(jié)論如下：

（1）本文提出了一種體積較小的自動(dòng)口罩售賣(mài)系統(tǒng)，可以解決人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)口罩售賣(mài)的便利和安全性。

（2）通過(guò)采用無(wú)接觸吸盤(pán)取貨的方式，減少了單個(gè)包裝的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。采用新型能源光伏發(fā)電給系統(tǒng)供電，不但節(jié)約資源而且保護(hù)環(huán)境。

（3）通過(guò)軟件的仿真分析，本文驗(yàn)證了STM32單片機(jī)可以精準(zhǔn)地進(jìn)行時(shí)鐘的配置，完成口罩的售賣(mài)。

（4）測(cè)試表明，此口罩售賣(mài)機(jī)消毒全面，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)快速，功能穩(wěn)定，與人們的生活關(guān)系密切，有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 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