蒲德浪，何蓉，王文瓊，晏慧，潘開(kāi)艷，楊潔

（1.黔南民族師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州都勻， 558000；2.黔南民族師范學(xué)院 文學(xué)與傳媒學(xué)院，貴州都勻， 558000）

0 引言

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)保溫箱還存在著很多不足，從材料上看，市場(chǎng)上的傳統(tǒng)保溫箱多采用泡沫、帆布等制作而成，箱體的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到顧客的要求，且不夠環(huán)保；從功能上看，市面上的保溫箱功能單一。相較傳統(tǒng)保溫箱而言，該多功能保溫箱的功能多樣，在傳統(tǒng)的功能上增加了加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，其加熱、制冷系統(tǒng)滿(mǎn)足了消費(fèi)者的不同需求，保證了運(yùn)送物品的質(zhì)量，并且根據(jù)人們對(duì)物品消毒的需求，添加了一項(xiàng)消毒功能。此項(xiàng)產(chǎn)品集加熱、制冷、消毒功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)箱內(nèi)的物品進(jìn)行加熱或制冷，保持物品本身的溫度，還能進(jìn)行消毒，防止病毒的傳播；同時(shí)增加了以太陽(yáng)能板和鋰電池組共同構(gòu)成的供電系統(tǒng)，并在箱體外側(cè)裝有多功能USB 充電口，可充當(dāng)移動(dòng)電源給其他設(shè)備充電；且箱體上還裝有液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示箱內(nèi)的溫度值和壓力值，可通過(guò)按鍵來(lái)切換和設(shè)定溫度；在結(jié)構(gòu)上，內(nèi)設(shè)真空隔熱板，能夠有效地避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，具有環(huán)保和高效節(jié)能的特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)保溫箱的基本功能，本次設(shè)計(jì)的思路是在傳統(tǒng)保溫箱原有的基礎(chǔ)上，增加背帶、提手、杯座、滑輪以及多功能充電口等功能，使其搬運(yùn)和運(yùn)輸更加方便，也更加適合外出游玩或垂釣。多功能保溫箱是由STC89C52 主系統(tǒng)和電源模塊、壓力檢測(cè)模塊、按鍵模塊、LCD12864 液晶顯示屏、DS18B20 溫度傳感器、加熱模塊、制冷模塊和消毒模塊8個(gè)子系統(tǒng)共同組成。多功能保溫箱通過(guò)兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)壓力傳感器分別檢測(cè)加熱室、制冷室的溫度和壓力值，將其檢測(cè)到的溫度值和壓力值傳給單片機(jī)主控芯片，并用液晶顯示屏顯示檢測(cè)到的溫度值和壓力值。同時(shí)還添加了消毒模塊，消毒模塊主要是通過(guò)將壓力傳感器檢測(cè)到的壓力值傳給單片機(jī)主控芯片后，由單片機(jī)主控芯片連接整流器驅(qū)動(dòng)板來(lái)控制紫外線(xiàn)消毒燈管工作，實(shí)現(xiàn)消毒功能?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為控制器、傳感器、顯示器三大部分。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，可將其分為電源模塊、檢測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和殺菌系統(tǒng)。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 電路原理圖

■2.1 電源模塊

電源模塊主要由CN3791MPPT 太陽(yáng)能板和鋰電池組共同組成，太陽(yáng)能電池板與普通的一次性電池、可循環(huán)充電的電池相比是更加節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品，更加符合保護(hù)環(huán)境的理念。與此同時(shí)，還附加有多功能USB 充電口，可作為戶(hù)外電源。通過(guò)太陽(yáng)能板MINI560 降壓模塊將輸入的電壓降為12V 給鋰電池組充電，DC-DC 降壓模塊將CN3791MPPT太陽(yáng)能板和鋰電池組的12V 電壓降為5V 給多功能USB 充電口供電。

■2.2 檢測(cè)模塊

本模塊采用兩個(gè)DS18B20 溫度傳感器分別檢測(cè)保溫箱的加熱室和制冷室的溫度。該傳感器能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9 ～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20 的使用可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。

利用HX711 模塊+5Kg 壓力稱(chēng)重傳感器檢測(cè)箱內(nèi)物品的壓力。該傳感器是一種高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體重量的精確測(cè)量。

單片機(jī)的P36 、P35 引腳分別連接檢測(cè)加熱室和制冷室溫度的溫度傳感器，兩個(gè)溫度傳感器時(shí)刻檢測(cè)保溫箱內(nèi)物品溫度的變化，P15、P16 引腳分別連接壓力傳感器的第3引腳與第2 引腳，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)箱內(nèi)物品的壓力。

■2.3 顯示模塊

顯示模塊主要是通過(guò)LCD12864 液晶顯示屏的VDD 端口連接+5V，VSS 端口接地，CS1、RESET、RS、SID、SCLK 端口分別連接芯片的P10、P11、P12、P13、P14 引腳。液晶屏上分別顯示加熱、制冷模塊的設(shè)定溫度值與檢測(cè)溫度值以及壓力傳感器檢測(cè)到的壓力值。

■2.4 按鍵輸入模塊

設(shè)置了切換鍵和溫度的加（1℃）按鍵、減（1℃）按鍵。切換鍵（SET_KEY）連接單片機(jī)的P20 引腳，加按鍵（UP_KEY）連接P21 引腳，減按鍵（DOWN_KEY）連接P22 引腳。切換鍵用于加熱模塊和制冷模塊之間功能的切換，加、減按鍵用于調(diào)節(jié)加熱溫度和制冷溫度。

■2.5 殺菌系統(tǒng)

殺菌系統(tǒng)是由消毒模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊共同組成。保溫箱的消毒模塊主要是單片機(jī)主控芯片連接整流器驅(qū)動(dòng)板來(lái)控制紫外線(xiàn)消毒燈管工作。通過(guò)連接單片機(jī)的P34引腳控制紫外線(xiàn)消毒燈管繼電器實(shí)現(xiàn)消毒功能。并利用檢測(cè)與顯示模塊中的壓力傳感器檢測(cè)壓力，將檢測(cè)到的壓力值傳給STC89C52 主控芯片，再由主控芯片將檢測(cè)到的壓力值傳給液晶顯示屏顯示，當(dāng)壓力傳感器感受到有一定壓力時(shí)，紫外線(xiàn)燈管工作。

■2.6 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是由加熱繼電器模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊共同組成。當(dāng)箱內(nèi)放有物品時(shí)，可通過(guò)加熱檢測(cè)電路檢測(cè)加熱室的溫度，將檢測(cè)到的加熱溫度值傳給單片機(jī)主控芯片，并將檢測(cè)到的加熱溫度值與設(shè)定的加熱溫度值進(jìn)行對(duì)比，如果設(shè)定的加熱溫度值大于檢測(cè)的加熱溫度值，單片機(jī)的P33引腳通過(guò)控制加熱繼電器模塊連接的發(fā)熱線(xiàn)來(lái)對(duì)箱內(nèi)物品進(jìn)行加熱，當(dāng)設(shè)定的加熱溫度值小于或等于檢測(cè)的加熱溫度值后，發(fā)熱線(xiàn)停止工作。如果物品設(shè)定的加熱溫度值再次大于檢測(cè)的加熱溫度值時(shí)，則發(fā)熱線(xiàn)再次工作，依次循環(huán)。

■2.7 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)是由制冷繼電器模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊共同組成。當(dāng)箱內(nèi)放有物品時(shí)，可通過(guò)制冷檢測(cè)電路檢測(cè)制冷室的溫度，將檢測(cè)到的制冷溫度值傳給單片機(jī)主控芯片，并將檢測(cè)到的制冷溫度值與設(shè)定的制冷溫度值進(jìn)行對(duì)比，如果設(shè)定的制冷溫度值小于檢測(cè)的制冷溫度值，單片機(jī)的P32 引腳控制制冷繼電器模塊連接的半導(dǎo)體制冷片對(duì)箱內(nèi)的物品進(jìn)行制冷，當(dāng)設(shè)定的制冷溫度值大于或等于檢測(cè)的制冷溫度值后，半導(dǎo)體制冷片停止工作。如果物品設(shè)定的制冷溫度值再次小于檢測(cè)的制冷溫度值，則半導(dǎo)體制冷片再次工作，依次循環(huán)。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)所需要的各種功能，使多功能保溫箱智能化工作，還需要通過(guò)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)完成。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Keil 5 軟件編程，主要通過(guò)主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)的整體流程圖

■3.2 制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)主函數(shù)調(diào)用制冷模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊幾個(gè)子程序來(lái)完成整個(gè)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。用戶(hù)可通過(guò)按鍵設(shè)定制冷溫度值， 利用DS18B20的讀寫(xiě)功能讀取溫度值，將設(shè)定和檢測(cè)到的溫度值通過(guò)STC89C52 單片機(jī)主控芯片傳給液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)設(shè)定的制冷溫度值小于檢測(cè)的制冷溫度值時(shí)，制冷系統(tǒng)開(kāi)啟，半導(dǎo)體制冷片對(duì)放入箱內(nèi)的物品進(jìn)行制冷；若設(shè)定的制冷溫度值大于或等于檢測(cè)的制冷溫度值，此時(shí)用戶(hù)可通過(guò)按鍵重新調(diào)整設(shè)定的制冷溫度值，使設(shè)定的制冷溫度值小于檢測(cè)的制冷溫度值，以滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5 所示。

圖5 制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

■3.3 加熱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在加熱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)主函數(shù)調(diào)用加熱模塊、檢測(cè)模塊和顯示模塊幾個(gè)子程序來(lái)完成整個(gè)加熱系統(tǒng)的運(yùn)行。用戶(hù)可通過(guò)按鍵設(shè)定加熱溫度值，利用DS18B20 的讀寫(xiě)功能讀取溫度值，將設(shè)定和檢測(cè)到的溫度值通過(guò)STC89C52單片機(jī)主控芯片傳給液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)設(shè)定的加熱溫度值大于檢測(cè)的加熱溫度值時(shí)，加熱系統(tǒng)開(kāi)啟，發(fā)熱線(xiàn)對(duì)放入箱內(nèi)的物品進(jìn)行加熱；若設(shè)定的加熱溫度值小于或等于檢測(cè)的加熱溫度值，此時(shí)用戶(hù)可通過(guò)按鍵重新調(diào)整設(shè)定加熱溫度值，使設(shè)定的加熱溫度值大于檢測(cè)的加熱溫度值，以滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。加熱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6 所示。

■3.4 殺菌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在殺菌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)主函數(shù)調(diào)用壓力傳感器模塊和顯示模塊來(lái)完成程序的運(yùn)行，并由STC89C52 單片機(jī)主控芯片連接的整流器驅(qū)動(dòng)板配合壓力傳感器檢測(cè)模塊來(lái)控制紫外線(xiàn)消毒燈管工作。當(dāng)箱內(nèi)放置物品后，利用壓力傳感器檢測(cè)壓力，程序中設(shè)定的壓力值是5，當(dāng)檢測(cè)到的壓力值大于等于5 時(shí)，消毒燈就會(huì)工作，若沒(méi)有檢測(cè)到壓力，則消毒燈不工作。殺菌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖7 所示。

圖6 加熱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖7 殺菌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 總結(jié)

目前，我們完成了集加熱功能、制冷功能和消毒功能于一體的多功能保溫箱的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)箱內(nèi)的物體進(jìn)行加熱和制冷的效果，保證了物品的運(yùn)輸質(zhì)量；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，添加了一項(xiàng)殺菌功能，實(shí)現(xiàn)了利用紫外線(xiàn)對(duì)箱內(nèi)物品進(jìn)行消毒殺菌處理的目的。不僅如此，箱內(nèi)設(shè)有真空隔熱板，能有效地避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞。箱體上的太陽(yáng)能板可以將光能轉(zhuǎn)換為電能為鋰電池組供電，具有環(huán)保和高效節(jié)能的特點(diǎn)。箱體上安裝了液晶屏和按鍵，讓人們可以時(shí)刻看到箱體內(nèi)溫度的變化和壓力的大小；箱體外側(cè)設(shè)有多功能USB 充電口，可以充當(dāng)移動(dòng)電源為使用者的其他設(shè)備進(jìn)行充電，滿(mǎn)足了使用者的不同需求。