智能旋转冰箱控制系统设计 ①

孙 静， 许恒铭， 杨荣业， 田树林

(安徽新华学院电子通信工程学院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来家电的更新换代日趋智能化，而冰箱的智能化进程比较缓慢，主要原因是市场应用中更注重其保鲜功能，因此对其交互式智慧操作的研究一直较少[1]。传统机械式的温控冰箱外形中规中矩且笨重，存放物品过多时容易遗忘存放时间，导致物品过期形成浪费。因此本文从环保节能的角度出发，设计一款低能耗、环保型的智能冰箱，不仅外形创新[2]，也能让用户及时了解存放的物品信息，及时合理地享用新鲜食物[3]。本系统体现的智能冰箱设计思维，为未来健康智能家电的研究和应用提供了创新思路。

1 系统总体设计

设计智能冰箱含有4个独立存储空间，存储平台能够旋转，实现物品的快速精准存取，对冰箱存储状态及存储时间等信息能实时观测并显示，同时将信息发送到手机端，通过APP还可以设置物品定时食用及过期时间提醒，实现物品的分类和有效管理[4-5]。该功能设计模块由单片机、4个压力传感器模块、1个时钟模块、1个蓝牙模块、5个按键、1个舵机和1个液晶显示模块构成，各模块之间的连接及工作原理如图1所示。

压力传感器检测平台是否有物品存放，按键模块进行存储区域和时间的操作，单片机收到信息和时钟模块数据后，分别传递信息给液晶显示模块、蓝牙模块以及舵机模块。液晶显示模块显示时间及存储平台状态，舵机模块按照设定要求进行一定角度的旋转，蓝牙模块与手机蓝牙设备匹配后发送当前更新的信息。

图1 系统总体设计框图

2 硬件电路设计

各模块实物如图2到图5所示，硬件电路整体设计如图6所示。

时钟电路：DS1302时钟芯片内部含有实时时钟日历，通过同步串行方式与单片机通信，提供年、月、日、时、分、秒的信息。复位引脚接单片机的P2.7口，接收到高电平时实现复位功能。SCLK接单片机的P2.5口，接收到高电平实现串行时钟的输入，双向数据线接口I/O接单片机的P2.6口。

图2 时钟模块

图3 压力传感器

图4 舵机模块

液晶显示电路：显示器件选用LCD1602，D0～D7口连接排阻后分别连接单片机的P0.0到P0.7口，供电后P0口接收到高电平会显示冰箱名称及时间信息。

图5 蓝牙模块

图6 硬件电路图

压力传感器电路：冰箱存储区为圆柱形空间，竖直方向4等分，采用4个HX711高精度压力传感器用于检测有无物品存放，分别代表冰箱四个存储空间，可以实现物品的分类管理。4个压力传感器连接在单片机的P0口，共用同一个电源、共地；数字输出和串口数据输出端口DAT分别连单片机的P0.0,P0.2,P0.4和P0.6口，输入为低电平时有效；数字输入和串口时钟输入端口SCK分别连单片机的P0.1,P0.3,P0.5和P0.7口，输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。

舵机模块电路：采用360°舵机作为存储平台全方向移动的驱动源，VCC和GND分别电源和接地，信号线SIGN为舵机的标志位。当连接单片机的P2.4口接收到高电平后，按照程序设定的内容进行角度旋转。

按键电路：采用独立按键，分别连接单片机的P1.0到P1.4口，高电平时工作。按键1和2分别控制物品的插入和取出，按键3和4控制存储区间旋转至冰箱门，选择在冰箱的不同空间存取物品，按键5设置存取物品在液晶显示屏上的显示时间。

图7 主程序流程图

图8 按键子程序流程图

蓝牙模块电路：ATK-HC05蓝牙模块用于单片机和手机间的通信连接，模块的TXD和RXD引脚分别连接单片机P3.0和P3.1口。上电以后，模块上的LED灯为闪烁状态，此时处于从机模式，与手机成功连接后，LED灯会变为常亮。

图9 通电后实物图

图10 选择界面

图11 提示开冰箱门

3 软件设计

系统接通电源后，初始化液晶屏、定时器、压力传感器，液晶屏初始化为白屏，将显示模块和LCD需要的地址信息发送出去后，检测LCD是否工作，是则读取数据，否则写数据显示。此时扫描按键是否按下，如果是则检测是几号按键并执行相应操作。当压力传感器感受到有物品时会产生信号，此时通电后时钟模块开始工作，二者将采集到的信息发送给单片机，单片机将得到的模拟信号经过A/D转换成数字信号后发送给蓝牙模块，成功激活发送信号后，蓝牙接收信息并与手机蓝牙匹配，手机APP上会显示物品的信息。如果是通过手机APP发送指令给冰箱，则通过蓝牙收发模块传递信号给单片机，单片机将接收到的信号后处理后再发送命令到其他模块。主程序和按键子程序流程图如图7和图8所示。

图12 提示关门

图13 物品存放成功

图14 手机APP界面

4 系统实现

以透明亚克力板制作冰箱存储空间为圆柱形平台，以舵机为旋转中心、亚克力板隔开形成四个扇形存储区域，每个存储区贴上编号，下方安装一个压力传感器用于检测物品。按照硬件电路设计图连接各模块，并完成程序编写和烧录，同时制作手机APP显示界面，最后完成本系统的实物制作。

系统供电后，液晶屏显示“智能旋转冰箱”以及时间信息，如图9所示。执行物品存放操作，按下按键1后，四个存储区均无物品，所以液晶屏显示四个均无物品，如图10所示，此时进入选择界面。再次按下按键1，提示打开冰箱门进行存物品操作，液晶屏显示“请开门！”，如图11所示。以杯子为样品，选取4号冰箱空间并把样品存进去，显示屏上会显示“请关上门！”表示物品存放成功，关闭冰箱门，如图12所示。此时返回选择界面，显示屏变成“四有物品”，如图13所示。此时智能冰箱的存储信息经过蓝牙模块发送到手机，APP显示正在连接直至连接成功，对于已经存放的物品，可以通过APP设置物品食用日期和过期日期提醒，手机界面如图14所示。

5 结 语

本文以单片机为核心，结合压力传感器、舵机、DS1302时钟、独立按键以及LCD1602显示屏等元件模块，设计了一款智能旋转冰箱，以蓝牙模块为通信元件，实现了物品的有效检测和合理食用提醒，达到了健康管理的效果。基于此设计还可以扩展其他功能，如(1)结构优化：实现多层多区域物品旋转存取；(2)功能扩大：冰箱内部增加气味传感器，及时识别物品是否过期并发出报警信号；(3)通信模式拓展：以WIFI通信替代蓝牙通信，实现远程监控与管理[6]。该系统设计方案及作品获得2017年安徽省高校物联网应用创新大赛技能组二等奖，随后获批2018年国家级大学生创新训练项目，设计思路创新且应用前景广阔。