基于STM32的酒店床上用品智能晾曬系統的設計

何令輝

關鍵詞：溫濕度傳感器；雨滴傳感器；光電傳感器；STM32

1 引言

傳統的晾曬方法效率太低，已經滿足不了酒店業對于床上用品的晾曬要求了，此外中國南方地區的天氣多變，又會有回南天這種天氣，經常需要及時晾曬和及時收納，為了解決這一問題，需要一款基于環境感應的自動晾曬裝置。本次設計的自動晾曬裝置使用了光照強度傳感器和濕度傳感器來感知外界環境是否變化，當下雨時晾曬裝置遮板張開，擋雨的同時實現聲光報警，給人們警示，當光照強度變化的時候晾曬裝置遮板也隨之進行變化，光照適宜晾曬時進行旋轉晾曬；根據外界環境的變化，如光照強度、濕度等因素，利用單片機設計對應的控制系統[1]，完成晾曬裝置的自動控制，設計出相應的機械結構，搭建實物，根據時間變化自動調整晾曬裝置的旋轉角度，使衣架的受照方向隨時間的變化而變化，根據光照強度的變化，改變遮擋裝置的張角，根據濕度的變化對衣服進行防雨保護并實現聲光報警。

如果在戶外安裝晾曬桿，雖然解決了陽光照射問題，但是萬一突然下雨的話，如織物不能及時收回就會被雨水淋濕。由于傳統的織物晾曬方式造成的不便，便出現了酒店床上用品智能晾曬架。在我國，“晾曬架”可根據產品設計類型分為兩種，一種是“升降晾曬裝置”或所謂的“電動晾曬裝置”，電動（智能）是發展趨勢；另一種是“地面晾曬裝置”，主要有翼型、X型、單桿、雙桿等多種型號。它們由不銹鋼管或噴管和塑料連接件組成。但是這些晾曬裝置的出現也沒能完全解決傳統晾衣方式出現的問題，人們期望著一種更方便更美觀的新型晾曬裝置的出現[1-2]。

鑒于目前晾曬工具的發展狀況，本設計開發一種酒店床上用品智能晾曬系統，可以有效地解決傳統晾曬工具存在的問題。本酒店床上用品智能晾曬系統的主要特點如下：伸縮式收晾織物，操作簡單，有手動和自動模式，可陽光跟隨，安裝于戶外或樓頂，有占用空間小的優點。當系統切換到自動模式時，晾曬裝置能根據天氣情況，自動完成收晾衣服及陽光跟隨功能。酒店床上用品智能晾曬系統可有效防止突然下雨時織物被雨水淋濕；或者在傍晚時，衣架可以自動收回，以避免衣服停留在外面，而且還能根據陽光照射方向實現陽光跟隨功能，能給織物充足的陽光照射，有效地提高陽光利用率。

2 晾曬系統總體設計方案

本系統采用ST（意大利半導體公司）STM32F407 系列的微控制器作為主控芯片。外圍電路有雨滴傳感電路、溫濕度傳感器電路、步進電機驅動電路，GSM 模塊電路以及光敏傳感電路，實現收晾衣服的智能功能。總體設計框圖如圖1所示。

酒店床上用品智能晾曬系統組成概述：

該酒店床上用品智能晾曬架還可以安裝在陽臺天花板上，可有效利用空間。同時，系統通過溫濕度傳感器和雨水傳感器電路以及光敏電路等檢測電路自動測量當前環境的溫度、濕度、雨量、光強，并在OLED液晶顯示屏上顯示出來。根據當前的天氣情況和光線的強度確定衣架是否收回以及根據太陽光的照射方向對晾衣桿的角度進行調整。

如果下雨或者天黑時[3]，傳感器將信號發送到MCU進行處理，然后控制步進電機帶動機械部分做出相應的動作。同時，將信號發送到用戶手機上，提醒用戶及時收納。

（1） 該系統的控制核心采用STM32系列單片機，STM32系列單片機是一個功能強大而體積小巧的小型計算機系統。在智能開發領域，只要是我們想得到的，它都可以派得上用場。單片機自產出以來，經過不斷的優化和改進，優點也越來越突出，如極高的性價比（高性能、價格低）、體積小、可靠性高、控制功能強、使用方便、容易產品化、使用領域寬廣等。通過用酒店床上用品智能晾曬系統，就可以充分利用它的具有豐富的輸入/輸出口、處理運算快、編程簡單和控制能力強等特點，同時運用單片機內部的RAM和ROM，這樣設計功能強，實用性強，同時拓展性強、操作簡易、系統靈活。基本上可以實現設計所需要求[4-5]。

（2） 系統檢測部分由DHT11溫濕度模塊和YL-83 雨滴傳感模塊以及光敏電阻組成的光檢測電路組成。YL-83雨滴傳感器主要用于檢測雨水和降雨量，并將其轉換為數字信號和AO輸出，廣泛用于汽車自動雨刷系統，智能照明系統和智能天窗系統。

（3） 系統的動力部分采用42BYG二相系列步進電機以及由馬達驅動芯片TB6600 組成的驅動電路。TB6600驅動芯片具有控制原理簡單、接線方便等優點。同時，為了便于系統的顯示，系統采用0.96 寸OLED液晶顯示屏來進行實時顯示[6]。

3 系統設計

本系統軟件部分的設計采用結構化和模塊化設計方法，軟件框圖如圖2 所示[7]，晾曬系統具體程序略。

本系統的核心控制器采用STM32F407微控制器，具有性價比高、編程簡單、可調用內部的庫函數，可靠性高，功能多等特點。控制系統組成如圖3所示。

系統自動收集雨滴傳感器和光電傳感器的數據，當天氣晴朗時，步進電機正轉伸出晾衣桿。系統自動檢測各方向的光電傳感器信號并傳送到MCU處理并計算出太陽光最強的方向，然后控制旋轉步進電機的正轉與反轉[8-9]，同時，通過GSM模塊發送短信到用戶。當下雨或夜間時，MUC根據雨滴傳感器和光傳感器檢測到的信號，控制步進電機準備反轉，同時收集各個方向光電傳感器的數據，控制織物晾衣桿返回初始垂直位置，并在確認衣架垂直放置后，步進電機反轉，將衣架收回，并通過GSM模塊發送短信到用戶[10]。

4 硬件設計

方案主要包括主控芯片的選型以及檢測電路的具體設計。主要是微控制器的選型以及溫度傳感器、濕度傳感器、光敏電路、步進電機驅動電路的設計，根據系統各部分的功能要求，對硬件部分電路板進行具體設計[11]。

系統由STM32F407開發板作為控制器，由于不同模塊需要的驅動電壓不同，比如STM32F407微控制器、雨滴傳感器模塊以及溫濕度傳感器模塊需使用+5V電壓驅動，而OLED 液晶屏電路則需+3.3V電壓驅動。硬件電路整體用開關電源直接用5V直流電來給開發板供電，通過開發板引出3.3V電壓給+3.3V 的電路模塊進行供電[12]。

光電傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器采集電路經過LM358電壓跟隨器輸出后的信號接到微控制器的A/D轉換接口PD11、PD12進行數據處理，溫濕度傳感器采集電路的輸出端口接到數據接口PA12。

微控制器的PB10、PB11 口接OLED 用于輸出顯示。

單片機是一種集成電路芯片，具有很多顯著的優點，隨著控制技術的不斷發展和完善，它的處理速度也變得極快，使得單片機在各個領域都得到廣泛的應用。

本次設計選擇使用的是STM32。首先考慮的是STM32F407，STM32屬于一個微型控制器，自帶各種常用通信接口，功能非常強大。它具有串口-USART，可應用于跟串口接口的設備通信，比如USB口轉串口模塊、ESP8266WIFI、GSP模塊、GSM模塊、串口屏和指紋識別模塊等；內部集成電路-I2C，可用于跟I2C接口的設備通信，比如EEPROM、電容屏、陀螺儀MPU6050和0.96寸OLED模塊；串口通信接口-SPI，可用于跟SPI接口的各種設備通信，比如串口FLASH、以太網W5500和音頻模塊VS1053。所以最終經過各方面的篩選和對面，我選擇了STM32F103RCT6這款單片機[13-14]。

DHT11溫濕度傳感器模塊是由一個電容式傳感元件和一個連接到高性能8位微控制器的高精度溫度測量元件組成。因此，該產品具有品質優良，功耗低以及超長的信號傳輸距離使其成為應用環境苛刻的最佳選擇。該產品連接線簡單，為單總線接口。

YL-83雨滴傳感器模塊采用優質FR-04雙面材料，其雨滴檢測面積可達20平方厘米，表面經鍍鎳處理，具有優異的抗氧化性、導電性和壽命性能。其接線方式比較簡單，使用起來也方便。

光敏電阻是根據光電導效應制成的光電探測傳感器，光敏電阻的電阻隨光的照射強度而變化。當光照越強，光敏電阻的電阻值越小；反之，電阻就會很大。光敏表面制成彎曲的蛇形，并且電極形成梳子形狀，因為它可以確保大的光接收表面并減小電極之間的距離，由此，可以減少電極之間的電子傳輸時間。

在本系統中，光敏電阻的光敏特性用于檢測光的強度，通過檢測光的強度來判斷白天和夜晚。同時，它可以幫助溫度和濕度傳感器檢測陰天和晴天。輸出端的電壓相應變小，將輸出的模擬量電壓直接傳給MCU的ADC輸入通道口，經過MCU內部的數模轉換器得到相應的數字量。本系統采用六個光電傳感器實時檢測各個方向的光照強度，然后對光照強度值進行計算處理用來控制旋轉步進電機的正反轉，實現陽光跟隨功能。

液晶顯示電路：該系統采用0.96寸彩色OLED作為顯示單元，OLED屏幕驅動芯片為SSD1306。它的接口類型為SPI接口，最少4個I/ O口就可使用，其工作電壓為3 V～5.5 V，顯示分辨率為128×128。大家用得最多的就是LCD1602或者LCD12864，由于OLED彩屏有單獨的驅動芯片，與其他的點陣液晶屏相比，它顯示畫面的能力也相對更加優越。OLED液晶屏的引腳與STM32F407芯片的驅動電壓為3.3V，用來對當前環境的溫度、濕度、手動/自動模式等進行實時顯示[15]。

步進電機及其驅動電路：本系統采用的步進電機型號為廣州市科達步進電機技術有限公司的42BYGH34-401A插線式二相步進電機及由馬達驅動芯片TB6600組成的驅動器，該步進電機型號參數如表1。該產品的特點有輸出力矩大，采用進口高品質的步進電機鋼片、自感電抗小、響應性好。

TB6600是一款DC雙向馬達全橋驅動電路。其引腳功能和輸入輸出真值表分別如表2和表3所示。

5 結束語

酒店床上用品智能晾曬系統是一種十分實用的設計，其目的是運用智能化技術解決傳統晾曬方式所存在的問題，讓人們晾曬酒店床上用品時更加科學高效，在不遠的將來，酒店床上用品智能晾曬系統將會以更加智能化、集成化的方式出現，具有廣闊的發展前景。