何令輝

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；雨滴傳感器；光電傳感器；STM32

1 引言

傳統(tǒng)的晾曬方法效率太低，已經(jīng)滿足不了酒店業(yè)對于床上用品的晾曬要求了，此外中國南方地區(qū)的天氣多變，又會有回南天這種天氣，經(jīng)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(huán)境感應(yīng)的自動晾曬裝置。本次設(shè)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(huán)境是否變化，當(dāng)下雨時晾曬裝置遮板張開，擋雨的同時實現(xiàn)聲光報警，給人們警示，當(dāng)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(zhuǎn)晾曬；根據(jù)外界環(huán)境的變化，如光照強度、濕度等因素，利用單片機設(shè)計對應(yīng)的控制系統(tǒng)[1]，完成晾曬裝置的自動控制，設(shè)計出相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)，搭建實物，根據(jù)時間變化自動調(diào)整晾曬裝置的旋轉(zhuǎn)角度，使衣架的受照方向隨時間的變化而變化，根據(jù)光照強度的變化，改變遮擋裝置的張角，根據(jù)濕度的變化對衣服進行防雨保護并實現(xiàn)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(tǒng)的織物晾曬方式造成的不便，便出現(xiàn)了酒店床上用品智能晾曬架。在我國，“晾曬架”可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)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(fā)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(xiàn)也沒能完全解決傳統(tǒng)晾衣方式出現(xiàn)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(xiàn)[1-2]。

鑒于目前晾曬工具的發(fā)展?fàn)顩r，本設(shè)計開發(fā)一種酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)，可以有效地解決傳統(tǒng)晾曬工具存在的問題。本酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)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(yōu)點。當(dāng)系統(tǒng)切換到自動模式時，晾曬裝置能根據(jù)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(tǒng)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(jù)陽光照射方向?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用ST（意大利半導(dǎo)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(qū)動電路，GSM 模塊電路以及光敏傳感電路，實現(xiàn)收晾衣服的智能功能?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)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(tǒng)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(dāng)前環(huán)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(jù)當(dāng)前的天氣情況和光線的強度確定衣架是否收回以及根據(jù)太陽光的照射方向?qū)α酪聴U的角度進行調(diào)整。

如果下雨或者天黑時[3]，傳感器將信號發(fā)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(yīng)的動作。同時，將信號發(fā)送到用戶手機上，提醒用戶及時收納。

（1） 該系統(tǒng)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(tǒng)。在智能開發(fā)領(lǐng)域，只要是我們想得到的，它都可以派得上用場。單片機自產(chǎn)出以來，經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進，優(yōu)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(chǎn)品化、使用領(lǐng)域?qū)拸V等。通過用酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)，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(nèi)部的RAM和ROM，這樣設(shè)計功能強，實用性強，同時拓展性強、操作簡易、系統(tǒng)靈活?；旧峡梢詫崿F(xiàn)設(shè)計所需要求[4-5]。

（2） 系統(tǒng)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號和AO輸出，廣泛用于汽車自動雨刷系統(tǒng)，智能照明系統(tǒng)和智能天窗系統(tǒng)。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方法，軟件框圖如圖2 所示[7]，晾曬系統(tǒng)具體程序略。

本系統(tǒng)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(diào)用內(nèi)部的庫函數(shù)，可靠性高，功能多等特點。控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

系統(tǒng)自動收集雨滴傳感器和光電傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)天氣晴朗時，步進電機正轉(zhuǎn)伸出晾衣桿。系統(tǒng)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(zhuǎn)步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)[8-9]，同時，通過GSM模塊發(fā)送短信到用戶。當(dāng)下雨或夜間時，MUC根據(jù)雨滴傳感器和光傳感器檢測到的信號，控制步進電機準(zhǔn)備反轉(zhuǎn)，同時收集各個方向光電傳感器的數(shù)據(jù)，控制織物晾衣桿返回初始垂直位置，并在確認(rèn)衣架垂直放置后，步進電機反轉(zhuǎn)，將衣架收回，并通過GSM模塊發(fā)送短信到用戶[10]。

4 硬件設(shè)計

方案主要包括主控芯片的選型以及檢測電路的具體設(shè)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(qū)動電路的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)各部分的功能要求，對硬件部分電路板進行具體設(shè)計[11]。

系統(tǒng)由STM32F407開發(fā)板作為控制器，由于不同模塊需要的驅(qū)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(qū)動，而OLED 液晶屏電路則需+3.3V電壓驅(qū)動。硬件電路整體用開關(guān)電源直接用5V直流電來給開發(fā)板供電，通過開發(fā)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(jīng)過LM358電壓跟隨器輸出后的信號接到微控制器的A/D轉(zhuǎn)換接口PD11、PD12進行數(shù)據(jù)處理，溫濕度傳感器采集電路的輸出端口接到數(shù)據(jù)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(yōu)點，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它的處理速度也變得極快，使得單片機在各個領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

本次設(shè)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(yīng)用于跟串口接口的設(shè)備通信，比如USB口轉(zhuǎn)串口模塊、ESP8266WIFI、GSP模塊、GSM模塊、串口屏和指紋識別模塊等；內(nèi)部集成電路-I2C，可用于跟I2C接口的設(shè)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(shè)備通信，比如串口FLASH、以太網(wǎng)W5500和音頻模塊VS1053。所以最終經(jīng)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(chǎn)品具有品質(zhì)優(yōu)良，功耗低以及超長的信號傳輸距離使其成為應(yīng)用環(huán)境苛刻的最佳選擇。該產(chǎn)品連接線簡單，為單總線接口。

YL-83雨滴傳感器模塊采用優(yōu)質(zhì)FR-04雙面材料，其雨滴檢測面積可達20平方厘米，表面經(jīng)鍍鎳處理，具有優(yōu)異的抗氧化性、導(dǎo)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(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)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(dāng)光照越強，光敏電阻的電阻值越??；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(tǒng)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(yīng)變小，將輸出的模擬量電壓直接傳給MCU的ADC輸入通道口，經(jīng)過MCU內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的數(shù)字量。本系統(tǒng)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(zhuǎn)步進電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)陽光跟隨功能。

液晶顯示電路：該系統(tǒng)采用0.96寸彩色OLED作為顯示單元，OLED屏幕驅(qū)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(qū)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(yōu)越。OLED液晶屏的引腳與STM32F407芯片的驅(qū)動電壓為3.3V，用來對當(dāng)前環(huán)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(qū)動電路：本系統(tǒng)采用的步進電機型號為廣州市科達步進電機技術(shù)有限公司的42BYGH34-401A插線式二相步進電機及由馬達驅(qū)動芯片TB6600組成的驅(qū)動器，該步進電機型號參數(shù)如表1。該產(chǎn)品的特點有輸出力矩大，采用進口高品質(zhì)的步進電機鋼片、自感電抗小、響應(yīng)性好。

TB6600是一款DC雙向馬達全橋驅(qū)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(jié)束語

酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)是一種十分實用的設(shè)計，其目的是運用智能化技術(shù)解決傳統(tǒng)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(xué)高效，在不遠的將來，酒店床上用品智能晾曬系統(tǒng)將會以更加智能化、集成化的方式出現(xiàn)，具有廣闊的發(fā)展前景。