基于STM32的自動(dòng)干衣架控制器設(shè)計(jì)

徐夢瑤,張有銘,葛貝寧,方曉宇,閆 海,郭 斌*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.智能農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心,新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和改革開放的深入推進(jìn),人均收入水平不斷提高,人民的衣食住行發(fā)生了很大的改變。現(xiàn)代人們對于衣物的需求不僅僅停留在可穿戴的功能上,更追求舒適、健康的體驗(yàn)。然而,在人們生活質(zhì)量提高的過程中,潮濕天氣或是洗過的衣物沒有及時(shí)干燥將會給生活帶來煩惱。潮濕的衣物增加了皮膚周圍的濕氣,這樣的濕氣環(huán)境容易滋生細(xì)菌和真菌,引發(fā)皮膚過敏等健康問題[1]。

在科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步的新時(shí)代,衣物烘干設(shè)備也得到了迅速的發(fā)展。目前市面上存在的干衣設(shè)備種類繁多,其中熱泵干衣機(jī)因其高效、省電的特點(diǎn)受到消費(fèi)者的青睞。然而,熱泵干衣機(jī)價(jià)格昂貴,并且干燥時(shí)間較長,對于急需更換衣物的人們來說并不方便。另一種常見的干衣設(shè)備是傳統(tǒng)電加熱干衣機(jī),它通過加熱元件對衣物進(jìn)行干燥。然而,這類干衣機(jī)存在一些安全隱患,比如容易引發(fā)火災(zāi)、產(chǎn)生噪聲和濕氣污染等[2]。而且,由于加熱元件不能均勻加熱衣物,使用傳統(tǒng)電加熱干衣機(jī)容易導(dǎo)致衣物皺縮。最重要的是以上2款干衣設(shè)備對于外出旅游、出差的人來說攜帶極不方便。因此,干衣設(shè)備不僅要能夠快速烘干衣物,還需要考慮使用過程中的安全因素,確保用戶的身體健康和生命安全。同時(shí),干衣設(shè)備的設(shè)計(jì)還要注重細(xì)節(jié),需要避免衣物損壞或皺縮等問題,提高可攜帶性,提供更好的用戶體驗(yàn)。由此可見,在快速烘干的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一款安全性高、干衣質(zhì)量好、方便攜帶的自動(dòng)干衣架具有重要意義,將為人們帶來更輕松、方便、健康、舒適的生活體驗(yàn)。

1 干衣架原理

1.1 熱泵干衣設(shè)備原理

熱泵干衣機(jī)已成為干衣設(shè)備中較受歡迎的選擇,它結(jié)合熱泵循環(huán)和空氣循環(huán)構(gòu)成了復(fù)雜的干燥系統(tǒng)。熱泵循環(huán)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器;空氣循環(huán)系統(tǒng)包括干衣筒、冷凝器和蒸發(fā)器。在運(yùn)行時(shí),制冷劑從壓縮機(jī)中被釋放出來,經(jīng)過冷凝器釋放熱量,并轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐蛪簹怏w。然后,經(jīng)過節(jié)流元件進(jìn)一步降低溫度和壓力后到達(dá)蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中,低溫低壓的制冷劑蒸發(fā)吸熱,形成低溫低壓氣體,然后進(jìn)入壓縮機(jī),形成高溫高壓氣體,完成循環(huán)。與此同時(shí),高溫低濕度的空氣從冷凝器中釋放出來,經(jīng)過風(fēng)道進(jìn)入干衣筒與衣物進(jìn)行熱量交換。這樣,空氣溫度降低,濕度升高,而衣物的溫度上升,濕度下降。接著,空氣再次進(jìn)入蒸發(fā)器,其溫度和濕度都會進(jìn)一步降低。水蒸氣在蒸發(fā)器上被冷凝并收集起來。最后,通過風(fēng)道進(jìn)入冷凝器加熱的空氣變?yōu)楦邷馗稍锟諝?完成整個(gè)空氣循環(huán)過程。熱泵干衣機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 熱泵干衣機(jī)原理

1.2 本設(shè)計(jì)干衣架原理

本系統(tǒng)使用DHT11檢測衣物的相對濕度,將實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)傳輸給STM32微控制器,STM32微控制器接收到濕度信息后,會判斷是否需要驅(qū)動(dòng)PTC制熱元件。當(dāng)DHT11反饋的濕度水平低于所設(shè)閾值時(shí),表示衣物已經(jīng)烘干,此時(shí)STM32微控制器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器提醒使用者衣物烘干工作完成,并停止設(shè)備工作。同時(shí),當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常工作情況時(shí),也會驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,提醒使用者采取正確措施,避免發(fā)生意外。然而,由于PTC制熱的工作電壓是12 V,STM32微控制器輸出的高電平無法直接驅(qū)動(dòng)PTC制熱元件工作,因此利用STM32輸出的高電平來控制繼電器,進(jìn)而控制PTC制熱元件的升溫過程[3],以此實(shí)現(xiàn)干衣功能。在干衣過程中,特別需要注意調(diào)整熱風(fēng)的溫度,避免防止溫度過高損傷衣物。常見材質(zhì)衣物損傷和烘干溫度如表1所示。

表1 常見材質(zhì)衣物損傷和烘干溫度 單位:℃

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

干衣架控制器的設(shè)計(jì)主要包括STM32微控制器、PTC制熱、繼電器、溫濕度檢測、警報(bào)5個(gè)功能模塊,各模塊之間相互協(xié)調(diào),共同完成干衣架控制功能。具體功能模塊如圖2所示。

圖2 干衣架功能模塊

主控元件采用STM32F1037VET6,溫濕度采集選用DHT11溫濕度傳感器,繼電器型號SRD-05VDCSL-C,警報(bào)模塊使用TMB12A蜂鳴器。為了產(chǎn)生熱風(fēng),本文采用將PTC制熱元件與風(fēng)扇相結(jié)合的形式,具體硬件連接電路如圖3所示。

圖3 干衣架硬件電路

2.1 控制模塊

STM32微控制器是現(xiàn)代干衣設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵組件。通過連接DHT11溫濕度傳感器,可以準(zhǔn)確獲取、監(jiān)測衣物的溫濕度值,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制,實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的烘干。在干衣過程中,STM32微控制器起到了核心調(diào)控的作用。它可以通過分析傳感器輸入的數(shù)據(jù),自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱元件和風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài),以達(dá)到最佳的烘干效果。當(dāng)檢測到濕度過高時(shí),控制模塊會啟動(dòng)熱風(fēng)功能,將衣物中的水分蒸發(fā)。而當(dāng)濕度接近設(shè)定閾值時(shí),會停止加熱只留風(fēng)扇工作,加快衣物表面的水分蒸發(fā)速度,從而實(shí)現(xiàn)快速而均勻地烘干。當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)風(fēng)扇停止工作,衣物烘干完成。

此外,STM32微控制器還擔(dān)負(fù)著安全保護(hù)的重要任務(wù)。通過分析衣物的濕度和溫度值,能夠在出現(xiàn)異常或故障時(shí)及時(shí)停止加熱元件和風(fēng)扇的運(yùn)行,避免潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),該控制模塊還具備過溫保護(hù)功能,能夠在溫度超過安全范圍時(shí)自動(dòng)降溫或停機(jī),確保安全使用。

2.2 熱風(fēng)模塊

熱風(fēng)模塊是干衣架中負(fù)責(zé)烘干衣物的關(guān)鍵模塊。此模塊使用PTC制熱元件與風(fēng)扇結(jié)合,實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)效果。PTC制熱元件采用正溫度系數(shù)材料,通過增加電阻來產(chǎn)生熱量,這種制熱方式簡單快捷且無污染[4]。其功能是在恒定的溫度下提供均勻的熱量,快速地將濕衣物加熱至干燥狀態(tài)。PTC材料在低溫時(shí)具有較低的電阻,但隨著溫度的升高,其電阻值會顯著增大。當(dāng)給PTC材料通電時(shí),會在較低溫度下迅速加熱,然后在達(dá)到一定溫度時(shí),其電阻值迅速上升,從而限制了進(jìn)一步的加熱,這個(gè)過程不僅可以提供穩(wěn)定的加熱能力,還有保護(hù)設(shè)備和衣物的作用[5]。PTC制熱元件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊用于控制PTC制熱模塊的啟停。STM32微控制器通過控制繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)來啟動(dòng)或停止加熱功能。繼電器控制模塊與微控制器進(jìn)行連接,并根據(jù)STM32微控制器的指令切換PTC制熱模塊的電源[6]。繼電器結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

2.4 溫濕度檢測模塊

本設(shè)計(jì)使用DHT11檢測溫濕度,DHT11可檢測20%～90% 范圍的相對濕度,具有價(jià)格低廉,簡單易用、性能穩(wěn)定、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[7]。此模塊通過單總線數(shù)字信號接口進(jìn)行通信,只需要一個(gè)數(shù)字I/O引腳來發(fā)送數(shù)據(jù),并可以直接與微控制器等設(shè)備連接[8],在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)共發(fā)送40 bit數(shù)據(jù),其中濕度值占16 bit,具體數(shù)據(jù)格式如表2所示。此模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測衣服濕度,并將濕度值傳輸至STM32微控制器。該模塊的作用是反饋濕度信息,以便控制系統(tǒng)調(diào)整烘干時(shí)間和熱風(fēng)的溫度,以達(dá)到更好的烘干效果。

表2 DHT11讀取數(shù)據(jù)格式

2.5 警報(bào)模塊

警報(bào)元件選擇電磁式蜂鳴器TMB12A,電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后,振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下,周期性振動(dòng)發(fā)聲[9]。TMB12A通過與STM32微控制器連接,在干衣架工作的過程中發(fā)出提示聲,提醒用戶衣服烘干完成。如果干衣架發(fā)生故障、溫度過高或出現(xiàn)其他異常情況,警報(bào)模塊也會發(fā)出警報(bào),并促使采取適當(dāng)?shù)拇胧?以此保障設(shè)備正常運(yùn)行,以免發(fā)生事故。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)過程中,使用Keil uVision5編寫代碼,通過判斷濕度的相對值從而驅(qū)動(dòng)繼電器來控制PTC制熱元件的功率以達(dá)到控制熱風(fēng)的溫度和風(fēng)速的目的。在讀取相對濕度的代碼中首先定義2個(gè)靜態(tài)函數(shù)“DATA_OUTPUT”和“DATA_INPUT”,用于設(shè)置GPIO引腳的輸入輸出模式,并通過讀寫GPIO引腳來控制DHT11數(shù)據(jù)線。定義函數(shù)“DH11_Read_Byte”用于讀取DHT11發(fā)送的8位數(shù)據(jù),這里使用了簡單的時(shí)序判斷。“DH11_Read”是主要的讀取函數(shù),它通過向DHT11發(fā)送信號并讀取返回的數(shù)據(jù)來獲取溫度和濕度值。在讀取數(shù)據(jù)之前會進(jìn)行初始化操作,并對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。“Test”是一個(gè)測試函數(shù),它通過調(diào)用“DH11_Read”函數(shù)來獲取溫濕度值,并將結(jié)果保存在全局結(jié)構(gòu)體“DH11_data”的相應(yīng)字段中。“DH11_Task”是一個(gè)任務(wù)函數(shù),它通過調(diào)用“Test”函數(shù)來執(zhí)行溫濕度傳感器的讀取操作。接收到數(shù)據(jù)后判斷相對濕度的值,進(jìn)而控制引腳輸出高電平。干衣架控制流程如圖6所示。

圖6 干衣架控制流程

本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)衣架進(jìn)行了改造,并把控制模塊裝進(jìn)衣架內(nèi),使其成為可以折疊、方便攜帶的干衣架。干衣架有2種形態(tài),一種是展開晾衣形態(tài),一種是折疊攜帶形態(tài),具體形態(tài)如圖7—8所示。

圖7 自動(dòng)干衣架展開晾衣形態(tài)實(shí)物

圖8 自動(dòng)干衣架折疊攜帶形態(tài)實(shí)物

4 結(jié)語

本款自動(dòng)干衣架采用STM32微控制器,通過連接溫濕度檢測模塊、PTC熱風(fēng)模塊、警報(bào)模塊以及繼電器控制模塊完成了一系列高效、智能的操作。這種自動(dòng)干衣架操作簡單、安全隱患低、干衣質(zhì)量高,且可以為經(jīng)常外出旅行的人提供有效的干衣方案。

相較于傳統(tǒng)的干衣機(jī),本款自動(dòng)干衣架在內(nèi)部設(shè)計(jì)上具有顯著優(yōu)勢。首先,它使用自動(dòng)控制模塊,可以根據(jù)實(shí)時(shí)濕度值調(diào)整加熱元件和風(fēng)扇的工作狀態(tài)。其次,使用PTC熱風(fēng)模塊,可實(shí)現(xiàn)更快速、均勻的干燥效果。再次,它還配有警報(bào)模塊,當(dāng)溫度過高或出現(xiàn)故障時(shí)會自動(dòng)報(bào)警,避免潛在危險(xiǎn)。最后,它還具有極高的便利性,用戶只需將衣物掛在干衣架上,插上電源即可自動(dòng)烘干,無需復(fù)雜的設(shè)置步驟,輕松解決了用戶日常生活中的實(shí)際問題。

本自動(dòng)干衣架的控制器設(shè)計(jì)既保證了干燥的效果,又保持了良好的安全性和便利性。未來,它有望在家居、酒店等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,給用戶帶來更加舒適、便捷的生活體驗(yàn)。此類智能化、高效化、環(huán)保化的自動(dòng)干衣架將會為人們的生活帶來更多的便捷與舒適。