多功能保温箱的设计

蒲德浪，何蓉，王文琼，晏慧，潘开艳，杨洁

（1.黔南民族师范学院 物理与电子科学学院，贵州都匀， 558000；2.黔南民族师范学院 文学与传媒学院，贵州都匀， 558000）

0 引言

根据调查发现，传统保温箱还存在着很多不足，从材料上看，市场上的传统保温箱多采用泡沫、帆布等制作而成，箱体的质量远远达不到顾客的要求，且不够环保；从功能上看，市面上的保温箱功能单一。相较传统保温箱而言，该多功能保温箱的功能多样，在传统的功能上增加了加热系统和制冷系统，其加热、制冷系统满足了消费者的不同需求，保证了运送物品的质量，并且根据人们对物品消毒的需求，添加了一项消毒功能。此项产品集加热、制冷、消毒功能于一体，能够实现随时随地对箱内的物品进行加热或制冷，保持物品本身的温度，还能进行消毒，防止病毒的传播；同时增加了以太阳能板和锂电池组共同构成的供电系统，并在箱体外侧装有多功能USB 充电口，可充当移动电源给其他设备充电；且箱体上还装有液晶显示屏实时显示箱内的温度值和压力值，可通过按键来切换和设定温度；在结构上，内设真空隔热板，能够有效地避免空气对流引起的热传递，具有环保和高效节能的特点。

1 设计思路

为了实现保温箱的基本功能，本次设计的思路是在传统保温箱原有的基础上，增加背带、提手、杯座、滑轮以及多功能充电口等功能，使其搬运和运输更加方便，也更加适合外出游玩或垂钓。多功能保温箱是由STC89C52 主系统和电源模块、压力检测模块、按键模块、LCD12864 液晶显示屏、DS18B20 温度传感器、加热模块、制冷模块和消毒模块8个子系统共同组成。多功能保温箱通过两个温度传感器和一个压力传感器分别检测加热室、制冷室的温度和压力值，将其检测到的温度值和压力值传给单片机主控芯片，并用液晶显示屏显示检测到的温度值和压力值。同时还添加了消毒模块，消毒模块主要是通过将压力传感器检测到的压力值传给单片机主控芯片后，由单片机主控芯片连接整流器驱动板来控制紫外线消毒灯管工作，实现消毒功能。总体设计框图如图1 所示，产品设计图如图2 所示。

图1 总体设计框图

图2 产品设计图

2 硬件设计

本系统的硬件设计分为控制器、传感器、显示器三大部分。根据实现功能的不同，可将其分为电源模块、检测模块、显示模块、按键输入模块、加热系统、制冷系统和杀菌系统。电路原理图如图3 所示。

图3 电路原理图

■2.1 电源模块

电源模块主要由CN3791MPPT 太阳能板和锂电池组共同组成，太阳能电池板与普通的一次性电池、可循环充电的电池相比是更加节能环保的绿色产品，更加符合保护环境的理念。与此同时，还附加有多功能USB 充电口，可作为户外电源。通过太阳能板MINI560 降压模块将输入的电压降为12V 给锂电池组充电，DC-DC 降压模块将CN3791MPPT太阳能板和锂电池组的12V 电压降为5V 给多功能USB 充电口供电。

■2.2 检测模块

本模块采用两个DS18B20 温度传感器分别检测保温箱的加热室和制冷室的温度。该传感器能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9 ～12 位的数字值读数方式。DS18B20 的使用可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

利用HX711 模块+5Kg 压力称重传感器检测箱内物品的压力。该传感器是一种高精度的模拟数字转换器，它可以将模拟信号转换为数字信号，从而实现对物体重量的精确测量。

单片机的P36 、P35 引脚分别连接检测加热室和制冷室温度的温度传感器，两个温度传感器时刻检测保温箱内物品温度的变化，P15、P16 引脚分别连接压力传感器的第3引脚与第2 引脚，用于实时检测箱内物品的压力。

■2.3 显示模块

显示模块主要是通过LCD12864 液晶显示屏的VDD 端口连接+5V，VSS 端口接地，CS1、RESET、RS、SID、SCLK 端口分别连接芯片的P10、P11、P12、P13、P14 引脚。液晶屏上分别显示加热、制冷模块的设定温度值与检测温度值以及压力传感器检测到的压力值。

■2.4 按键输入模块

设置了切换键和温度的加（1℃）按键、减（1℃）按键。切换键（SET_KEY）连接单片机的P20 引脚，加按键（UP_KEY）连接P21 引脚，减按键（DOWN_KEY）连接P22 引脚。切换键用于加热模块和制冷模块之间功能的切换，加、减按键用于调节加热温度和制冷温度。

■2.5 杀菌系统

杀菌系统是由消毒模块、检测模块和显示模块共同组成。保温箱的消毒模块主要是单片机主控芯片连接整流器驱动板来控制紫外线消毒灯管工作。通过连接单片机的P34引脚控制紫外线消毒灯管继电器实现消毒功能。并利用检测与显示模块中的压力传感器检测压力，将检测到的压力值传给STC89C52 主控芯片，再由主控芯片将检测到的压力值传给液晶显示屏显示，当压力传感器感受到有一定压力时，紫外线灯管工作。

■2.6 加热系统

加热系统是由加热继电器模块、检测模块和显示模块共同组成。当箱内放有物品时，可通过加热检测电路检测加热室的温度，将检测到的加热温度值传给单片机主控芯片，并将检测到的加热温度值与设定的加热温度值进行对比，如果设定的加热温度值大于检测的加热温度值，单片机的P33引脚通过控制加热继电器模块连接的发热线来对箱内物品进行加热，当设定的加热温度值小于或等于检测的加热温度值后，发热线停止工作。如果物品设定的加热温度值再次大于检测的加热温度值时，则发热线再次工作，依次循环。

■2.7 制冷系统

制冷系统是由制冷继电器模块、检测模块和显示模块共同组成。当箱内放有物品时，可通过制冷检测电路检测制冷室的温度，将检测到的制冷温度值传给单片机主控芯片，并将检测到的制冷温度值与设定的制冷温度值进行对比，如果设定的制冷温度值小于检测的制冷温度值，单片机的P32 引脚控制制冷继电器模块连接的半导体制冷片对箱内的物品进行制冷，当设定的制冷温度值大于或等于检测的制冷温度值后，半导体制冷片停止工作。如果物品设定的制冷温度值再次小于检测的制冷温度值，则半导体制冷片再次工作，依次循环。

3 软件设计

■3.1 系统软件设计概述

在完成硬件系统设计的基础上，要实现所需要的各种功能，使多功能保温箱智能化工作，还需要通过软件系统的设计来完成。软件系统设计采用Keil 5 软件编程，主要通过主函数调用子函数的方式来实现各个功能。软件系统设计的整体流程图如图4 所示。

图4 软件系统的整体流程图

■3.2 制冷系统软件设计

在制冷系统软件设计中，通过主函数调用制冷模块、检测模块和显示模块几个子程序来完成整个制冷系统的运行。用户可通过按键设定制冷温度值， 利用DS18B20的读写功能读取温度值，将设定和检测到的温度值通过STC89C52 单片机主控芯片传给液晶显示屏实时显示，当设定的制冷温度值小于检测的制冷温度值时，制冷系统开启，半导体制冷片对放入箱内的物品进行制冷；若设定的制冷温度值大于或等于检测的制冷温度值，此时用户可通过按键重新调整设定的制冷温度值，使设定的制冷温度值小于检测的制冷温度值，以满足客户的需求。制冷系统软件设计的流程图如图5 所示。

图5 制冷系统软件设计流程图

■3.3 加热系统软件设计

在加热系统软件设计中，通过主函数调用加热模块、检测模块和显示模块几个子程序来完成整个加热系统的运行。用户可通过按键设定加热温度值，利用DS18B20 的读写功能读取温度值，将设定和检测到的温度值通过STC89C52单片机主控芯片传给液晶显示屏实时显示，当设定的加热温度值大于检测的加热温度值时，加热系统开启，发热线对放入箱内的物品进行加热；若设定的加热温度值小于或等于检测的加热温度值，此时用户可通过按键重新调整设定加热温度值，使设定的加热温度值大于检测的加热温度值，以满足客户的需求。加热系统软件设计的流程图如图6 所示。

■3.4 杀菌系统软件设计

在杀菌系统软件设计中，通过主函数调用压力传感器模块和显示模块来完成程序的运行，并由STC89C52 单片机主控芯片连接的整流器驱动板配合压力传感器检测模块来控制紫外线消毒灯管工作。当箱内放置物品后，利用压力传感器检测压力，程序中设定的压力值是5，当检测到的压力值大于等于5 时，消毒灯就会工作，若没有检测到压力，则消毒灯不工作。杀菌系统软件设计的流程图如图7 所示。

图6 加热系统软件设计流程图

图7 杀菌系统软件设计流程图

4 总结

目前，我们完成了集加热功能、制冷功能和消毒功能于一体的多功能保温箱的设计，可以实现随时随地对箱内的物体进行加热和制冷的效果，保证了物品的运输质量；并在此基础上进行了创新，添加了一项杀菌功能，实现了利用紫外线对箱内物品进行消毒杀菌处理的目的。不仅如此，箱内设有真空隔热板，能有效地避免空气对流引起的热传递。箱体上的太阳能板可以将光能转换为电能为锂电池组供电，具有环保和高效节能的特点。箱体上安装了液晶屏和按键，让人们可以时刻看到箱体内温度的变化和压力的大小；箱体外侧设有多功能USB 充电口，可以充当移动电源为使用者的其他设备进行充电，满足了使用者的不同需求。