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烘得你衣
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 林華川、陳勝君】2020年03月24日 星期二

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本作品利用盛群HT66F2390微控制器作为核心,控制加热设备、对温湿度监控,做到风乾烘衣功能,且具有过热保护,防止衣服的热损伤,再使用铝挤组成外框框架,设计机械结构,配合步进马达转动带动皮带,以实现我们设备的移动,做到类似机械臂的功能,使加热设备可以自由移动,将烘乾衣服的每一个角落,完成智能烘乾,烘得你衣。


前言

创作动机

又到了阴雨绵绵,黑云遮阳,使天空呈现一片灰蒙蒙的时期,雨时不时的落下,沾湿了身上乾爽


的衣服,同时也让原本好心情不美丽了。经由这种不美丽的心情,让我有了灵感,可以挂上湿透的外


套,还能吹乾烘暖,解决了放置衣服的问题,也处理了被雨水弄湿的烦恼。


可能洗完的衣服,还 没乾又马上要用到, 在自己动手吹乾衣服的时间内,还要准备其他事情,好好的化妆打扮自己,一团事情挤在一起,形成手脚不够用的窘境。 如果 有一个可以帮自己烘乾衣服的机器 就可以减省很多时间, 能放心的 处理其他事宜。


可能在前往公司的路途上,突然下起来了大雨,因为没有雨衣、雨伞等挡雨工具,造成身上的


衣服被淋湿,破坏了一整天工作的好心情,因为身上的湿衣服, 使得 心情烦躁,还要自己动手拿起吹风机,努力地 将衣服吹乾 摆脱穿在身上的潮湿感,才能提起 好 心情工作。


创作目的

如果有一个可以自动烘 乾衣服的机器,省去自己动手的步骤 ,按个按钮,等个几分钟就可以把衣服变乾,不用自己拿吹风机吹乾衣服又因为没注意到温度过高,造成衣服烤焦之类的损害,还可以节省自己动手的时间,做更多其他的要事,忙完衣服也好了,一举两得。


创新与使用性

利用MCU控制步进马达,带动皮带,作到移动出风囗的功能,针对每个部份仔细的吹乾烘衣,在衣服过热之前,挑整风力大小热度,达到一定乾度後,移动至下一个位置,针对衣服的每一个小细节,烘乾吹风,直到将衣服潮湿的全部都烘乾的动作後,即会自动停止,作到智慧烘衣功能,乾衣可以放心地交给他。


工作原理

工作原理及功能


一般烘乾衣的温度为50用较低温的方式,慢慢烘乾,比较不会伤衣料,可以用於较多种的衣服种类,智能烘衣机可以将温度调高至 75~80将烘乾的时间所短,控制温度不会烫坏衣服,到达80℃时可将棉被中的细菌尘?消灭 [2]。


利用热风模组,提高烘衣的需求温度,利用微控制器,模组的强弱,主要为衣物的烘乾,避免提升得太多,超过了75℃,调弱降低温度的上升,控制在50~70℃以内。


使用温度感测模组,侦测烘衣环境的温度,避免因为加热过度,导致高温的热气伤害了衣服。作为控制温度变化的小帮手,还能防止高温导致的意外发生,成为本作品安全的守门员。


使用MCU之主要核心功能

以HT66F2390微控制器驱动电热元件提升温度,再用风扇马达吹出热风,达到烘衣效果,透过温度感测器监控环境温度,使得温度不会太高,导致烤焦衣服或烧毁发生不可预期的意外,再透过湿度感测模组,得知环境湿度判断衣服是否吹乾,烘乾完成便会自动停止。


透过外部触控模组判断是否开启电源,开启继电器导通马达电源,启动後,使用马达移动加热模组器,利用微动开关校正初始位置。


完成後,等待接收到开始按键的启动指令後,开启热风模组及DHT22 温湿度感测模组,掌控本作品执行烘衣上所需的温度,做到调节温度、风力强弱,避免造成衣物上的伤害。


经过DHT22湿度感测模组所侦测到的数值,回传至MCU读取分析衣物是否已经恢复到原本乾燥的叁考数据,达到乾燥後,即启动马达,移动下一个还湿润未乾燥的地方,最後移动至底後,及完成工作并关闭加热模组器,回至初始位置。


作品结构

硬体架构

利用两组相同长度的铝挤,搭配滚珠螺杆与滚珠螺杆相同长度的铝挤和光轴组成外观框架,再使用两组相同长度的铝挤作为底座支撑,藉由滚珠螺杆结合步计马达转动放置平台,达到上下的移动功能。


使用步进马达、皮带及皮带轮带动,线性滑轨上固定热风模组,可以在做到左右移动。再将底板固定在滚珠螺感及光轴上,使得热风模组可以在框架内畅游无阻。


使用MCU控制两颗步计马达,决定上下左右的移动,让热风模组可以到衣服需要吹乾的部分完成使命,在衣服後面装置DHT22温湿度感测器,利用风力将衣服吹向感测器,包覆DHT22的感测囗处,创造较精密的量测环境。


硬体架构

图一 : 周边硬体架构
图一 : 周边硬体架构

触控模组接收到按钮讯号後,传送给HT66F2390微控制器,做相对应的按键功能,开器马达电源,控制步进马达驱动器,驱动马达做热风模组位置的校正,碰触到微动开关为归零的基准,掌握热风模组的位置,才能精准地控制後续移动,以免过头空转。


执行烘乾作业时,MCU即会开启热风模组的电源,进行对衣服的热风输送,再传输开始讯号给DHT22,使他回传目前衣服的温度、湿度来得知衣服的状况,避免热损伤跟没把衣服烘乾的窘境。如图一所示。


微处理器

HT66F2390 微控制器[1]的CPU 具有完全集成内部8/12/16MHZ 的震荡器,不需要外接元件,其工作电压分别为2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V,所有指令都可以在1~3 个指令周期内完成。


周边具有58个双向I/O接囗,可以连接多个其他模组块,做到整合、沟通、控制等功能;四个引脚与外部中断囗共用,可透过外部的讯号,更改当前紧要的处理事项;以及全双工通用异步收发器-UART,方便用於基本的资料传输,连结其他蓝牙、电脑、Wi-Fi等;16个外部通道,精准度为12bit的得A/D转换器,以及MDU内建16bit对16bit的乘除法单元。


我们利用外部中断I/O接上触控模组,设立紧急停止键;使用乘除法器,处理DHT22 侦测环境温湿度後,所回传的数值,弄成标准格式,透过内部的硬体UART 传输至电脑,以方便分析,观察DHT22 所侦测到的数据,对温湿度的灵敏度,才能精准地控制温度及湿度,完成烘衣的重要叁考数据。


DHT22数字温湿度感测器


DHT22温湿度感测器里面有一个电容式的感湿元件和一个NTC测温元件,还有一个小型的的八位元单机片所组成,拥有极高的品质、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等的优点。如图二所示。


图二 : DHT22温湿度感测器
图二 : DHT22温湿度感测器

DHT22[3]的电源电压为3.3~6V。接上电源後,需等待1s已越过不稳定状态,期间不需要发送任何指令。DHT22侦测到的环境温度、湿度的数值精度、环境的叁数条件、响应时间、量测范围等,如表一所示


表一、DHT22温湿度数据叁数

数据格式: 40bit数据=16bit湿度+16bit?度+8bit验证码 例子: 接收40bit数据如表二:

表二、温湿度数据格式
 

叁数

条件

Min

Typ

Max

单位

湿度

分辨率

 

 

0.1

 

%RH

 

16

 

Bit

重复性

 

 

±0.3

 

 

精度

25

 

±2

 

%RH

-20~80

 

 

±2

%RH

采样周期

 

 

2

 

S

响应时间

 

 

<5

 

S

温度

分辨率

 

 

0.1

 

 

16

 

Bit

重复性

 

 

±0.2

 

精度

 

 

 

<±0.5

量测范围

 

-40

 

80

响应时间

 

6

 

20

S

0000 0010 1000 1100

0000 00010101 1111

1110 1110

湿度数据

温度数据

验证码

 


湿度高8位+湿度低8位+?度高8位+?度低8位=的末8位=验证码


例如:0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110


?度=65.2%RH ?度=摄氏温度35.1度,当?度低於摄氏零度时,?度数据的最高位置1。


例如:-10.1℃表示为1000 0000 0110 0101


DHT22使用单一双向传输接脚,利用MCU微控制器发出指定讯号搭配相对的时间,即可驱动DHT22,回传所侦测到的数据,藉由相对应的时序来判读01数值。如图三。



图三 : DHT22时序图
图三 : DHT22时序图

A4988 步进马达驱动器


A4988[4]是一款完全的微步电动机驱动器,带有内置转换器,易於操作。该产品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步进模式时操作双极步进电动机,输出驱动性能可达 35 V 及 ±1 A。A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器,该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。如图四。



图四 : A4988步进马达驱动器
图四 : A4988步进马达驱动器

转换器是 A4988 易於实施的关键。只要在「步进」输入中输入一个脉冲,即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的介面编程,如图五。



图五 : A4988电路脚位图
图五 : A4988电路脚位图

将HT66F2390规划好的输出控制脚位,接上MS1、MS2、MS3五种步进模式,分别是全步进、1/2步进、1/4步进、1/8步进、1/16步进模式,如图五所示。再接上STEP给他一个脉波,透过一次01的变化,即会转动你所设定步进模式的一步,DIR可以控制转动步进的方向,1代表正转,0代表反转,如表三。


表三、微步进模式

MS1

MS2

MS3

Microstep Resolution

Excitation Mode

L

L

L

Full Step

2 Phase

H

L

L

Half Step

1-2 Phase

L

H

L

Quarter Step

W1-2 Phase

H

H

L

Eighth Step

2W1-2 Phase

H

H

H

Sixteenth Step

4W1-2 Phase

NEMA17步进马达

NEMA17[5]具有每相1.5A至1.8A电流,每相3至8 mH电感,保持扭矩为44 N·cm(62oz·in,4.5kg·cm)以上,每步1.8或0.9度(分别为200/400步/转),如图六。


图六 : NEMA17步进马达
图六 : NEMA17步进马达

BS83B04C触控型Flash单晶片


BS83B04C[6]是一款具有8位高性能精简指令的Flash单晶片,具有完全集成的触控按键功能。触控按键功能完全集成於单机片内部,无须外部元件。如图七所示。内部具有看门狗定时器、低电压复位等特性,外加优秀的抗干扰和ESD保护性能,确保单晶片在恶劣的电磁干扰环境下可正常的运行。


图七 : BS83B04C触控型Flash单晶片
图七 : BS83B04C触控型Flash单晶片

CPU特性具有 fSYS = 2/4/8MHz,工作电压为 1.8V~5.5V,VDD=5V,系?时钟为 8MHz ?,指令周期为 0.5μs,提供暂停和唤醒功能,以降低功耗,震荡器有?部高速 2/4/8MHz RC - HIRC,?部低速32kHz RC - LIRC,多种工作模式:快速、低速、空闲和休眠。


热风模组


工作电压为110V,具有1000W的功率、风量为0.8m3/分,温度两段式变化、风量强弱选择。如图八所示。



图八 : 热风模组
图八 : 热风模组

硬体流程图

图九 : 硬体程序流程图
图九 : 硬体程序流程图

经由触控模组的按键操作所有动作,开关上电,校正模组位置,启动烘衣行程,还有强制停止钮,可以让你想让他停的时候停,如图九示。


软体流程图

图十 : 软体流程图
图十 : 软体流程图

利用微动开关实现模组位置校正,在开始烘衣行程後,利用DHT22作为判断当前烘衣的区块是否烘乾了,得以继续下一区块的烘乾作业,以右边的微动开关触发,为完成横轴的作业的依据,可以向下移动至下个横轴的行程。如图十所示。


测试方法

测试驱动步进马达

先利用步进马达驱动器,接上马达後,去否会转动,将MS1、MS2、MS3接为H、H、L再透过MCU给STEP一个1600次的脉波,观察转动状况。


确认转动正常後,接上皮带、皮带轮,挂上热风模组,确认向左转、向右转是否正常动作。如图十一、十二所示。



图十一 : 挂上热风模组
图十一 : 挂上热风模组

图十二 : 向右移动结果。
图十二 : 向右移动结果。

测试步进马达带滚珠螺杆

测试马达带动滚珠螺杆上的放置平台是否正常运作,需不需要挑整步进马达微步间隔,来带动平台上的负载。如图十三所示。



图十三 : 上下移动正常
图十三 : 上下移动正常

DHT22温湿度测器数值

开启DHT22温湿度感测器後,使用我们的热风模组对着湿衣服吹向感测器,使衣服贴近我们的侦测囗,观察温度是否有上升,湿度是否有下降,以达到我们烘衣的功能。


再将DHT22感测器所侦测到的数值,利用UART传至电脑显示,以方便我们观察述职的变化。前两位为湿度,单位是%R,後两位加一位小数为温度,单位是℃,如图十四、十五。



图十四 : 未启动前的衣服状态
图十四 : 未启动前的衣服状态

图十五 : 经热风模组吹过的衣服状态
图十五 : 经热风模组吹过的衣服状态

结论

我们使用DHT22温湿度感测器作为主要数据的叁考来源, 经过测试,可以精准地 得知衣服的温度以及乾燥程度,利用 MCU来操控周边设备,配合步进马达的转动,带动皮带,使得热风模组 可以 灵活 的 移动 ,这部分乾了,就换下个地方 ,实现我们智能烘衣,让你可以 腾出双 手,等待衣服烘乾即可。


(本文为第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考资料

[1] Holtek Semiconductor Inc. HT66F2390,https://www.holtek.com.tw/documents/10179/116706/simHT66F2350_60_70_90v160.pdf


[2]衣物烘衣机温度,http://www.comenb.com/21735.html


[3] DHT22温湿度感测器,https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/Digital+humidity+and+temperature+sensor+AM2302.pdf


[4] A4988驱动器,https://kknews.cc/zh-tw/news/jj8mzxe.html


[5] NEMA17步进马达,https://www.mouser.tw/datasheet/2/670/nema17-amt112s-1375041.pdf


[6] BS83B04C触控型Flash单晶片,https://www.holtek.com.tw/productdetail/-/vg/BS83B04C


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