□沈 歡 朱洪飛 錢超義

目前，一般用塑料或者鐵皮作為制作奶箱的材料，它不具有保溫功能，牛奶會(huì)因環(huán)境溫度升高或較長時(shí)間沒被用戶取走等因素發(fā)生變質(zhì)。一般的制冷手段都是壓縮式制冷，體積大、能耗高且制冷劑對(duì)環(huán)境也有一定的污染，并不適合奶箱的保鮮制冷，針對(duì)此問題，本文介紹了一種基于感知的半導(dǎo)體制冷奶箱，它可以根據(jù)實(shí)際情況，智能化地對(duì)牛奶進(jìn)行制冷，保證其新鮮度;并利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)牛奶送、取的管理進(jìn)行了優(yōu)化。本奶箱采用arduino單片機(jī)作為控制核心，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。它適用于各種不同基礎(chǔ)的人群，編程語言簡單易學(xué)，與其他軟硬件有著很好的兼容性。

一、硬件組成總體方案設(shè)計(jì)

表1 各個(gè)模塊名稱及功能

一是設(shè)計(jì)奶箱的整體邏輯框架，利用Arduino單片機(jī)的開源硬件，綜合前人的代碼編寫，進(jìn)行修改、添加，在面包板上試驗(yàn)達(dá)到預(yù)想的效果。二是制作電路板并測試，使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。三是制作實(shí)物模型，將電路板和整個(gè)傳感器進(jìn)行聯(lián)調(diào)。整個(gè)邏輯框架主要包含以下的八個(gè)模塊(見表1)。

二、安裝調(diào)試

(一)安裝注意事項(xiàng)。

1．奶箱組裝。奶箱組裝就是把溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊、電路機(jī)模塊等組裝成一套完整的奶箱(如圖1所示)。

圖1 智能奶箱硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2．接線連接。接線連接就是用導(dǎo)線連接溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊和電路機(jī)模塊。注意電源接線不能接反，否則容易燒毀器件，不同器件的接線方法也不一定相同。

(二)調(diào)試注意事項(xiàng)。

1．OLED調(diào)試。對(duì)于OLED調(diào)試，需要將所需顯示的字通過取字模軟件，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，存放在數(shù)組中，然后調(diào)用OLED顯示程序進(jìn)行顯示。

2．ds18b20溫度傳感器調(diào)試。對(duì)于ds18b20溫度傳感器，在本文中我們只用到了其中的兩根線，分別是中間的數(shù)據(jù)線和地線，其接線圖如圖2所示。

圖2 ds18b20溫度傳感器接線圖

3．RFID調(diào)試。對(duì)于RFID調(diào)試，只需要將SCK、MISO、MOSI、SDA(在RC522中即為CS)、RST這幾個(gè)引腳與單片機(jī)相應(yīng)的6、7、8、9、A3接口進(jìn)行相連就行。其他多余的引腳可以懸空，從而可以節(jié)省單片機(jī)有限的引腳資源。

4．TCRT5000紅外對(duì)管收發(fā)調(diào)試。TCRT5000紅外對(duì)管收發(fā)管調(diào)試時(shí)，需要用到單片機(jī)的模擬口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。然后將采集到的數(shù)據(jù)量化成相應(yīng)的電壓值，通過判斷反射不同的電壓數(shù)據(jù)值來進(jìn)行鑒別。其接線圖如圖3所示。

圖3 TCRT5000接線圖

圖4 溫控奶箱工作流程圖

三、系統(tǒng)整體功能

整體功能流程(如圖4所示):送奶員刷卡把牛奶放入奶箱后，光電傳感器會(huì)檢測到奶箱內(nèi)已經(jīng)放入牛奶，此時(shí)溫度傳感器開始對(duì)奶箱內(nèi)的溫度進(jìn)行采樣，并與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果箱內(nèi)溫度高于設(shè)定的溫度，半導(dǎo)體制冷片就會(huì)自動(dòng)開啟制冷;當(dāng)用戶取出牛奶后，系統(tǒng)會(huì)感知到奶箱內(nèi)已經(jīng)沒有牛奶，就會(huì)自動(dòng)停止制冷，實(shí)現(xiàn)了只有在奶箱內(nèi)有奶且溫度高于設(shè)定溫度才會(huì)開啟制冷的效果。不僅保證了牛奶的新鮮，而且達(dá)到了節(jié)約能源的效果。溫控奶箱的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其工作原理為:當(dāng)RFID感應(yīng)器被射頻卡喚醒后，就將射頻卡的卡號(hào)和單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若卡號(hào)相同，則單片機(jī)給繼電器2端口上電，繼電器吸合，外部電源給電磁鎖供給12V電源，使得電磁鎖得電吸合，奶箱門打開。當(dāng)送奶員將牛奶放入箱體內(nèi)后，光電傳感器發(fā)出的光遇到牛奶外殼后反射，給單片機(jī)返回一個(gè)高電壓值，單片機(jī)就能判斷牛奶已經(jīng)放入箱體，從而給繼電器1端口上電，繼電器吸合，外部電源給帕爾貼供給12V電源，帕爾貼開始制冷。在整個(gè)過程中，溫度傳感器不間斷地采集箱體內(nèi)的溫度，通過奶箱門上的液晶顯示屏顯示。

四、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

(一)奶箱散熱的實(shí)現(xiàn)。奶箱的外殼使用了鋁制外殼，利用金屬鋁的導(dǎo)熱特性來進(jìn)行散熱，箱體的制冷內(nèi)膽和外殼加上絕緣處理，使得制冷所制造的熱量能及時(shí)通過大面積的鋁殼散出去，從而達(dá)到很好的節(jié)能和制冷效果。我們通過溫度傳感器可以非常精確地實(shí)時(shí)監(jiān)控箱體內(nèi)的溫度，從而更好地給牛奶保溫?？紤]到鋁制外殼周圍溫度較高的時(shí)候，無法實(shí)現(xiàn)自發(fā)散熱，在外殼的頂部另加了一個(gè)散熱片，并通過風(fēng)扇將熱量強(qiáng)制性散去。

(二)整體模塊穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)。整體功能要把溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、RFID電磁鎖模塊等組裝成一個(gè)完整的系統(tǒng)，然后進(jìn)行系統(tǒng)性的聯(lián)調(diào)。對(duì)于單一模塊的調(diào)試比較簡單，但是一旦將整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊都合并起來就變得復(fù)雜起來，要考慮各部分之間的相互影響。經(jīng)過不斷的調(diào)試，預(yù)想功能得到了實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)也僅在室內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，能達(dá)到穩(wěn)定工作的效果，相對(duì)于比較復(fù)雜的外部環(huán)境來說，我們并沒有進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)不僅要考慮軟件上的問題，更多要考慮硬件上的一些復(fù)雜問題，這里面有許多和物理相關(guān)的知識(shí)，例如金屬的導(dǎo)熱性、散熱的條件、還有一些更加復(fù)雜的電磁感應(yīng)、靜電屏蔽等問題。

五、結(jié)語

多功能奶箱利用制冷半導(dǎo)體制冷以降低箱內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)了箱內(nèi)溫度的可選擇性，使牛奶在天氣炎熱時(shí)保持新鮮和營養(yǎng)。并能有效節(jié)約大量能源。以前的奶箱多以機(jī)械鎖為主，此項(xiàng)目中使用RFID電磁鎖使奶箱更加安全，用戶和送奶工開啟也更加方便。該控制系統(tǒng)具有高度智能、綠色節(jié)能，且性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

［1］郭天祥．51單片機(jī)c語言教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008

［2］楊志忠．?dāng)?shù)字電子技術(shù)［M］．北京:高等教育出版社，2008

［3］丁鎮(zhèn)生．傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用［M］．北京:電工業(yè)出版社，2000