基于Arduino自動烘干毛巾架的控制系統設計

杜 虹 周 杰

（1.南通航運職業技術學院，南通 226010；2.淮陰工學院，淮安 223001）

南方空氣濕度大且有梅雨季節，冬天天氣陰冷，潮濕，不利于毛巾干燥、衛生，以及部分地區的衛生間狹小、潮濕、采光通風條件不好，不易晾曬等，不利于毛巾通風干燥，這就導致毛巾潮濕，容易滋生細菌。尤其南方的職工宿舍、學生宿舍、酒店等較擁擠的場所有一半處于北面，毛巾多，且放毛巾的衛生間狹小，不利于毛巾干燥、容易滋生細菌，使用者帶來很不好的使用體驗，并帶來健康隱患。鑒于此，設計制作一個由基于Arduino的程序控制的自動加熱烘干毛巾的設備。該產品適用于酒店客房，工人宿舍，限制用電器功率的大學生住宿及家庭等。其使用成本低，安裝簡單，使用方便，實用于一切想要提升毛巾使用體驗的人群。

1 Arduino概述

“Arduino是一款便捷靈活、容易上手的開源電子開發平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。其功能十分強大，能在僅僅數平方厘米的面積上集成一個完整的控制系統，簡單來說就是一部微型的計算機，只要開發者寫得出來代碼其就能夠完成各種控制任務，而且用簡單易懂的C語言就能編程，很大程度降低了開發門檻，使編程人員能夠快速上手開發；最重要的是這是一個開源平臺，意味著其所有的電路圖、軟件源碼、核心庫文件都對所有人開放，這種情況下就如基于Linux的Android一樣所有的開發者都能將自己的各種奇思異想變成各種代碼、硬件設計添加到這個平臺上，這賦予了Arduino極大的活力，使Arduino開發平臺在極短時間內火遍全球，被大量開發者應用在自己開發的硬件中。

本設計是采用Arduino平臺進行經設計的，因為其具有以下優點。

1.1 便宜

Arduino板相當便宜。最廉價的Arduino能夠自己動手制作，即便組裝好的成品，也不會超出200元。

1.2 跨平臺

Arduino軟件在Window，Linux和Macintosh OSX平臺上都可以操作，而其他大部分單片機只能運行在Window操作系統下。

1.3 簡易的操作環境

初學者很容易就可以學會Arduino的編程情況，同時，還能為高級用戶提供更高級的運用。不論對于教師還是學生，一般都很容易運用processing編程環境。

1.4 軟件開源并可拓展

Arduino軟件是開源的，對于有經驗的程序員是可以拓展的。Arduino編程語言可以通過c++庫進行拓展。因為Arduino語言是基于AVR c語言的，所以如果有人想要了解技術上的細節，可以通過Arduino語言直接使用AVR c語言。若是有需要的話，也能在Arduino中寫入AVR c語言。

1.5 硬件開源并可拓展

Arduino是基于ateml 的atmelga8和atmelga128/328的單片機，遵守creative Commons許可協議。所以，有經驗的設計師可以按照自己需求設計自己的模塊，并對其進行拓展和改造。甚至對于一些相對沒有經驗的用戶，可以通過制作實驗板來理解Arduino是如何工作的，既省錢又方便。

圖1 Arduino Nano開發板

2 電氣總體設計

結合使用人群，使一般大學生、打工者，甚至工人群體都能夠負擔得起，使老人、小孩都能夠方便操作，服務更多群體。該毛巾架功能要簡單、最大可能減少人力、物力，安裝便捷，使用簡單，因此，只有毛巾烘干功能，且設備要使用成本低、售價低，安全高效，根據這個設計要求，這個毛巾架的功率只有50W左右。采用Arduino平臺進行開發，能夠滿足使用成本低、售價低的特點。

2.1 產品功能

為達到這個目的，該設計滿足了以下功能。

（1）高低功耗+電池供電模式。正常情況下會使用24V的標準功耗模式工作。此模式下烘干功率高，烘干速度更快。但用電條件不理想時，比如，用電功率限制嚴格的情況下，可以改用手機變壓器或者充電寶供電的5V低功耗模式。此模式下烘干功率很低，近似于毛巾保溫模式。

（2）熱風烘干。在電熱絲加熱毛巾被動蒸發烘干的基礎上，毛巾架內置鼓風機將熱風吹到毛巾上進一步加速了水分蒸發，使毛巾能更加快速烘干。

（3）多重安全保護。與潮濕毛巾接觸的用電設備的安全防護十分重要。

首先采用電源與毛巾架分體式設計。將電源獨立出來遠離毛巾架，減少水濺射到電源上的幾率。其次毛巾烘干架主體所使用的電源最高是DC 24V，避免了使用者因潮濕而觸電。此外，在長期接觸潮濕毛巾的不銹鋼橫桿與塑料固定支架之間在工廠組裝時都會用膠水密封。

在電路中上設置了過電流過電壓保護，電流或電壓有一項超過設定安全值也會自動斷電，而且24V直流電源也自帶短路保護。

2.2 工作模式

該產品具有兩種烘干模式，兩種不同的工作電壓，根據以下幾個特點進行產品設計。

2.2.1 兩種烘干模式

（1）自動（默認）模式，系統內設置了一定的加熱時間，當系統通電時自動開始烘干，直到達到設定時間時自動停止。此種模式主要是為了方便使用，一般情況下打開電源就不需要再進行其他操作，方便高效。

（2）限時模式，通過點按按鈕選擇不同的工作時長，系統會一直工作，直到設定時長才停止。此種模式是為了適應大小不同的毛巾，給使用者更多的選擇，產品適用面更廣。

2.2.2 兩種工作電壓（DC）

（1）低功率模式（DC電壓：5V，電流：2A）：充電寶供電，或手機充電器供電（此種情況適用于限制電阻絲類電器及用電功率的學生宿舍）。

（2）高功率模式（DC電壓：24V，電流：2A）：此種模式使用的是更高功率的變壓器供電，因為更高電壓、更大電流的情況下可以實現更迅速烘干。

3 元件選型

此設計使用的主要電子元件有：Arduino nano開發板。

（1）ARduino nano采用的是micro.USB接口，考慮到Arduinonano開發板體積更小，僅有18mm×45mm，更易于產品的小型化，Arduino nano開發板相比Arduino UNO和Arduino 101開發板更加便宜，在產品成本方面更具優勢，所以，此設計最終選用了Arduino nano開發板作為控制板。

（2）Arduino 5V高電平觸發繼電器。采用繼電器進行控制可實現電氣隔離，使系統能夠運行得更加穩定，抗干擾能力更強。VCC：接電源正極；GND：接電源負極；IN：繼電器模組信號觸發端；常開端（NO）：繼電器常開端；常閉端（NC）：繼電器的常閉端；公共端（COM）：繼電器的公共端。

圖2 Arduino nano開發板

圖3 Arduino繼電器

（3）云輝 MP1584EN DC.DC24V轉5V可調降壓模塊。此模塊為貼片模塊，體積極為小巧且功率很大滿足使用要求，便于設備小型化。輸入電壓：4.5～28V；輸出電壓：0.8～20V；輸出電流：3A（最大）；工作溫度：-45～+85℃；尺寸大小：22mm×17mm×4mm（長×寬×高）。

（4）靜音5015凈化器渦輪鼓風機。功率極低，靜音效果良好，設備運行時能夠更加安靜。額定電壓：DC 5V；額定電流：0.06A；轉數：2200±10%RPM；噪音：18DBA；出風口尺寸：20mm×15mm。

圖4 直流24V轉直流5V變壓器

圖5 渦輪鼓風機

（5）特氟龍電熱絲5V～24V、40Ω/m與150Ω/m的加熱線。耐高溫特氟龍外皮電熱絲與硅橡膠外皮的碳纖維電熱絲，通電加熱使用時安全穩定。電熱絲選型如表1所示。

表1 電熱絲選型

4 硬件設計

整體接線方式如圖6所示。

5 軟件設計

該控制過程靈活多樣，分為三個模式：（1）通電默認執行8h工作時間；不需要任何其他的操作；（2）按第一次按鈕執行6h工作時間；（3）按第二次按鈕執行4h工作時間；（4）按第三次按鈕進入待機，停止加熱；（5）按第四次按鈕回步驟1。

圖6 整體接線圖

程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程

6 結論

通過成功調試、試用，可以在幾個小時內完成潮濕毛巾的烘干殺菌，耗電量低，大約在50W，能夠很好地解決毛巾潮濕細菌滋生的問題，能明顯改善使用體驗，提升使用者的生活質量。本設計與其他相似產品的創新之處在于采用成熟的開發平臺，產品結構簡單，價格低廉，安全高效，且使用成熟的平臺更有益于成本控制及產品更新。