基于STM32的自動干衣架控制器設計

徐夢瑤,張有銘,葛貝寧,方曉宇,閆 海,郭 斌*

(1.新疆農業大學 計算機與信息工程學院,新疆 烏魯木齊 830052;2.智能農業教育部工程研究中心,新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆農業信息化工程技術研究中心,新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著中國經濟的快速增長和改革開放的深入推進,人均收入水平不斷提高,人民的衣食住行發生了很大的改變。現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。然而,在人們生活質量提高的過程中,潮濕天氣或是洗過的衣物沒有及時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,這樣的濕氣環境容易滋生細菌和真菌,引發皮膚過敏等健康問題[1]。

在科學技術快速進步的新時代,衣物烘干設備也得到了迅速的發展。目前市面上存在的干衣設備種類繁多,其中熱泵干衣機因其高效、省電的特點受到消費者的青睞。然而,熱泵干衣機價格昂貴,并且干燥時間較長,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備是傳統電加熱干衣機,它通過加熱元件對衣物進行干燥。然而,這類干衣機存在一些安全隱患,比如容易引發火災、產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,使用傳統電加熱干衣機容易導致衣物皺縮。最重要的是以上2款干衣設備對于外出旅游、出差的人來說攜帶極不方便。因此,干衣設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,干衣設備的設計還要注重細節,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。由此可見,在快速烘干的基礎上,設計一款安全性高、干衣質量好、方便攜帶的自動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。

1 干衣架原理

1.1 熱泵干衣設備原理

熱泵干衣機已成為干衣設備中較受歡迎的選擇,它結合熱泵循環和空氣循環構成了復雜的干燥系統。熱泵循環系統包括壓縮機、冷凝器、節流元件和蒸發器;空氣循環系統包括干衣筒、冷凝器和蒸發器。在運行時,制冷劑從壓縮機中被釋放出來,經過冷凝器釋放熱量,并轉變為高溫低壓氣體。然后,經過節流元件進一步降低溫度和壓力后到達蒸發器,在蒸發器中,低溫低壓的制冷劑蒸發吸熱,形成低溫低壓氣體,然后進入壓縮機,形成高溫高壓氣體,完成循環。與此同時,高溫低濕度的空氣從冷凝器中釋放出來,經過風道進入干衣筒與衣物進行熱量交換。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,空氣再次進入蒸發器,其溫度和濕度都會進一步降低。水蒸氣在蒸發器上被冷凝并收集起來。最后,通過風道進入冷凝器加熱的空氣變為高溫干燥空氣,完成整個空氣循環過程。熱泵干衣機工作原理如圖1所示。

圖1 熱泵干衣機原理

1.2 本設計干衣架原理

本系統使用DHT11檢測衣物的相對濕度,將實時濕度數據傳輸給STM32微控制器,STM32微控制器接收到濕度信息后,會判斷是否需要驅動PTC制熱元件。當DHT11反饋的濕度水平低于所設閾值時,表示衣物已經烘干,此時STM32微控制器驅動蜂鳴器提醒使用者衣物烘干工作完成,并停止設備工作。同時,當設備出現異常工作情況時,也會驅動蜂鳴器,提醒使用者采取正確措施,避免發生意外。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動PTC制熱元件工作,因此利用STM32輸出的高電平來控制繼電器,進而控制PTC制熱元件的升溫過程[3],以此實現干衣功能。在干衣過程中,特別需要注意調整熱風的溫度,避免防止溫度過高損傷衣物。常見材質衣物損傷和烘干溫度如表1所示。

表1 常見材質衣物損傷和烘干溫度 單位:℃

2 系統設計

干衣架控制器的設計主要包括STM32微控制器、PTC制熱、繼電器、溫濕度檢測、警報5個功能模塊,各模塊之間相互協調,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,警報模塊使用TMB12A蜂鳴器。為了產生熱風,本文采用將PTC制熱元件與風扇相結合的形式,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微控制器是現代干衣設備中不可或缺的關鍵組件。通過連接DHT11溫濕度傳感器,可以準確獲取、監測衣物的溫濕度值,并根據這些數據進行智能控制,實現高效、精準的烘干。在干衣過程中,STM32微控制器起到了核心調控的作用。它可以通過分析傳感器輸入的數據,自動調節加熱元件和風扇的運行狀態,以達到最佳的烘干效果。當檢測到濕度過高時,控制模塊會啟動熱風功能,將衣物中的水分蒸發。而當濕度接近設定閾值時,會停止加熱只留風扇工作,加快衣物表面的水分蒸發速度,從而實現快速而均勻地烘干。當濕度達到設定閾值時風扇停止工作,衣物烘干完成。

此外,STM32微控制器還擔負著安全保護的重要任務。通過分析衣物的濕度和溫度值,能夠在出現異常或故障時及時停止加熱元件和風扇的運行,避免潛在的火災風險。同時,該控制模塊還具備過溫保護功能,能夠在溫度超過安全范圍時自動降溫或停機,確保安全使用。

2.2 熱風模塊

熱風模塊是干衣架中負責烘干衣物的關鍵模塊。此模塊使用PTC制熱元件與風扇結合,實現熱風效果。PTC制熱元件采用正溫度系數材料,通過增加電阻來產生熱量,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。PTC材料在低溫時具有較低的電阻,但隨著溫度的升高,其電阻值會顯著增大。當給PTC材料通電時,會在較低溫度下迅速加熱,然后在達到一定溫度時,其電阻值迅速上升,從而限制了進一步的加熱,這個過程不僅可以提供穩定的加熱能力,還有保護設備和衣物的作用[5]。PTC制熱元件結構如圖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狀態來啟動或停止加熱功能。繼電器控制模塊與微控制器進行連接,并根據STM32微控制器的指令切換PTC制熱模塊的電源[6]。繼電器結構原理如圖5所示。

2.4 溫濕度檢測模塊

本設計使用DHT11檢測溫濕度,DHT11可檢測20%～90% 范圍的相對濕度,具有價格低廉,簡單易用、性能穩定、響應超快、抗干擾能力強、數字信號輸出、精確校準等優點[7]。此模塊通過單總線數字信號接口進行通信,只需要一個數字I/O引腳來發送數據,并可以直接與微控制器等設備連接[8],在發送數據時共發送40 bit數據,其中濕度值占16 bit,具體數據格式如表2所示。此模塊能夠實時監測衣服濕度,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,以便控制系統調整烘干時間和熱風的溫度,以達到更好的烘干效果。

表2 DHT11讀取數據格式

2.5 警報模塊

警報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、振動膜片及外殼等組成。接通電源后,振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下,周期性振動發聲[9]。TMB12A通過與STM32微控制器連接,在干衣架工作的過程中發出提示聲,提醒用戶衣服烘干完成。如果干衣架發生故障、溫度過高或出現其他異常情況,警報模塊也會發出警報,并促使采取適當的措施,以此保障設備正常運行,以免發生事故。

3 系統實現

在實現過程中,使用Keil uVision5編寫代碼,通過判斷濕度的相對值從而驅動繼電器來控制PTC制熱元件的功率以達到控制熱風的溫度和風速的目的。在讀取相對濕度的代碼中首先定義2個靜態函數“DATA_OUTPUT”和“DATA_INPUT”,用于設置GPIO引腳的輸入輸出模式,并通過讀寫GPIO引腳來控制DHT11數據線。定義函數“DH11_Read_Byte”用于讀取DHT11發送的8位數據,這里使用了簡單的時序判斷?！癉H11_Read”是主要的讀取函數,它通過向DHT11發送信號并讀取返回的數據來獲取溫度和濕度值。在讀取數據之前會進行初始化操作,并對讀取的數據進行校驗?！癟est”是一個測試函數,它通過調用“DH11_Read”函數來獲取溫濕度值,并將結果保存在全局結構體“DH11_data”的相應字段中?！癉H11_Task”是一個任務函數,它通過調用“Test”函數來執行溫濕度傳感器的讀取操作。接收到數據后判斷相對濕度的值,進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

本設計針對傳統衣架進行了改造,并把控制模塊裝進衣架內,使其成為可以折疊、方便攜帶的干衣架。干衣架有2種形態,一種是展開晾衣形態,一種是折疊攜帶形態,具體形態如圖7—8所示。

圖7 自動干衣架展開晾衣形態實物

圖8 自動干衣架折疊攜帶形態實物

4 結語

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

相較于傳統的干衣機,本款自動干衣架在內部設計上具有顯著優勢。首先,它使用自動控制模塊,可以根據實時濕度值調整加熱元件和風扇的工作狀態。其次,使用PTC熱風模塊,可實現更快速、均勻的干燥效果。再次,它還配有警報模塊,當溫度過高或出現故障時會自動報警,避免潛在危險。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,插上電源即可自動烘干,無需復雜的設置步驟,輕松解決了用戶日常生活中的實際問題。

本自動干衣架的控制器設計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、酒店等領域得到廣泛應用,給用戶帶來更加舒適、便捷的生活體驗。此類智能化、高效化、環保化的自動干衣架將會為人們的生活帶來更多的便捷與舒適。