基于Arduino自动烘干毛巾架的控制系统设计

杜 虹 周 杰

（1.南通航运职业技术学院，南通 226010；2.淮阴工学院，淮安 223001）

南方空气湿度大且有梅雨季节，冬天天气阴冷，潮湿，不利于毛巾干燥、卫生，以及部分地区的卫生间狭小、潮湿、采光通风条件不好，不易晾晒等，不利于毛巾通风干燥，这就导致毛巾潮湿，容易滋生细菌。尤其南方的职工宿舍、学生宿舍、酒店等较拥挤的场所有一半处于北面，毛巾多，且放毛巾的卫生间狭小，不利于毛巾干燥、容易滋生细菌，使用者带来很不好的使用体验，并带来健康隐患。鉴于此，设计制作一个由基于Arduino的程序控制的自动加热烘干毛巾的设备。该产品适用于酒店客房，工人宿舍，限制用电器功率的大学生住宿及家庭等。其使用成本低，安装简单，使用方便，实用于一切想要提升毛巾使用体验的人群。

1 Arduino概述

“Arduino是一款便捷灵活、容易上手的开源电子开发平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。其功能十分强大，能在仅仅数平方厘米的面积上集成一个完整的控制系统，简单来说就是一部微型的计算机，只要开发者写得出来代码其就能够完成各种控制任务，而且用简单易懂的C语言就能编程，很大程度降低了开发门槛，使编程人员能够快速上手开发；最重要的是这是一个开源平台，意味着其所有的电路图、软件源码、核心库文件都对所有人开放，这种情况下就如基于Linux的Android一样所有的开发者都能将自己的各种奇思异想变成各种代码、硬件设计添加到这个平台上，这赋予了Arduino极大的活力，使Arduino开发平台在极短时间内火遍全球，被大量开发者应用在自己开发的硬件中。

本设计是采用Arduino平台进行经设计的，因为其具有以下优点。

1.1 便宜

Arduino板相当便宜。最廉价的Arduino能够自己动手制作，即便组装好的成品，也不会超出200元。

1.2 跨平台

Arduino软件在Window，Linux和Macintosh OSX平台上都可以操作，而其他大部分单片机只能运行在Window操作系统下。

1.3 简易的操作环境

初学者很容易就可以学会Arduino的编程情况，同时，还能为高级用户提供更高级的运用。不论对于教师还是学生，一般都很容易运用processing编程环境。

1.4 软件开源并可拓展

Arduino软件是开源的，对于有经验的程序员是可以拓展的。Arduino编程语言可以通过c++库进行拓展。因为Arduino语言是基于AVR c语言的，所以如果有人想要了解技术上的细节，可以通过Arduino语言直接使用AVR c语言。若是有需要的话，也能在Arduino中写入AVR c语言。

1.5 硬件开源并可拓展

Arduino是基于ateml 的atmelga8和atmelga128/328的单片机，遵守creative Commons许可协议。所以，有经验的设计师可以按照自己需求设计自己的模块，并对其进行拓展和改造。甚至对于一些相对没有经验的用户，可以通过制作实验板来理解Arduino是如何工作的，既省钱又方便。

图1 Arduino Nano开发板

2 电气总体设计

结合使用人群，使一般大学生、打工者，甚至工人群体都能够负担得起，使老人、小孩都能够方便操作，服务更多群体。该毛巾架功能要简单、最大可能减少人力、物力，安装便捷，使用简单，因此，只有毛巾烘干功能，且设备要使用成本低、售价低，安全高效，根据这个设计要求，这个毛巾架的功率只有50W左右。采用Arduino平台进行开发，能够满足使用成本低、售价低的特点。

2.1 产品功能

为达到这个目的，该设计满足了以下功能。

（1）高低功耗+电池供电模式。正常情况下会使用24V的标准功耗模式工作。此模式下烘干功率高，烘干速度更快。但用电条件不理想时，比如，用电功率限制严格的情况下，可以改用手机变压器或者充电宝供电的5V低功耗模式。此模式下烘干功率很低，近似于毛巾保温模式。

（2）热风烘干。在电热丝加热毛巾被动蒸发烘干的基础上，毛巾架内置鼓风机将热风吹到毛巾上进一步加速了水分蒸发，使毛巾能更加快速烘干。

（3）多重安全保护。与潮湿毛巾接触的用电设备的安全防护十分重要。

首先采用电源与毛巾架分体式设计。将电源独立出来远离毛巾架，减少水溅射到电源上的几率。其次毛巾烘干架主体所使用的电源最高是DC 24V，避免了使用者因潮湿而触电。此外，在长期接触潮湿毛巾的不锈钢横杆与塑料固定支架之间在工厂组装时都会用胶水密封。

在电路中上设置了过电流过电压保护，电流或电压有一项超过设定安全值也会自动断电，而且24V直流电源也自带短路保护。

2.2 工作模式

该产品具有两种烘干模式，两种不同的工作电压，根据以下几个特点进行产品设计。

2.2.1 两种烘干模式

（1）自动（默认）模式，系统内设置了一定的加热时间，当系统通电时自动开始烘干，直到达到设定时间时自动停止。此种模式主要是为了方便使用，一般情况下打开电源就不需要再进行其他操作，方便高效。

（2）限时模式，通过点按按钮选择不同的工作时长，系统会一直工作，直到设定时长才停止。此种模式是为了适应大小不同的毛巾，给使用者更多的选择，产品适用面更广。

2.2.2 两种工作电压（DC）

（1）低功率模式（DC电压：5V，电流：2A）：充电宝供电，或手机充电器供电（此种情况适用于限制电阻丝类电器及用电功率的学生宿舍）。

（2）高功率模式（DC电压：24V，电流：2A）：此种模式使用的是更高功率的变压器供电，因为更高电压、更大电流的情况下可以实现更迅速烘干。

3 元件选型

此设计使用的主要电子元件有：Arduino nano开发板。

（1）ARduino nano采用的是micro.USB接口，考虑到Arduinonano开发板体积更小，仅有18mm×45mm，更易于产品的小型化，Arduino nano开发板相比Arduino UNO和Arduino 101开发板更加便宜，在产品成本方面更具优势，所以，此设计最终选用了Arduino nano开发板作为控制板。

（2）Arduino 5V高电平触发继电器。采用继电器进行控制可实现电气隔离，使系统能够运行得更加稳定，抗干扰能力更强。VCC：接电源正极；GND：接电源负极；IN：继电器模组信号触发端；常开端（NO）：继电器常开端；常闭端（NC）：继电器的常闭端；公共端（COM）：继电器的公共端。

图2 Arduino nano开发板

图3 Arduino继电器

（3）云辉 MP1584EN DC.DC24V转5V可调降压模块。此模块为贴片模块，体积极为小巧且功率很大满足使用要求，便于设备小型化。输入电压：4.5～28V；输出电压：0.8～20V；输出电流：3A（最大）；工作温度：-45～+85℃；尺寸大小：22mm×17mm×4mm（长×宽×高）。

（4）静音5015净化器涡轮鼓风机。功率极低，静音效果良好，设备运行时能够更加安静。额定电压：DC 5V；额定电流：0.06A；转数：2200±10%RPM；噪音：18DBA；出风口尺寸：20mm×15mm。

图4 直流24V转直流5V变压器

图5 涡轮鼓风机

（5）特氟龙电热丝5V～24V、40Ω/m与150Ω/m的加热线。耐高温特氟龙外皮电热丝与硅橡胶外皮的碳纤维电热丝，通电加热使用时安全稳定。电热丝选型如表1所示。

表1 电热丝选型

4 硬件设计

整体接线方式如图6所示。

5 软件设计

该控制过程灵活多样，分为三个模式：（1）通电默认执行8h工作时间；不需要任何其他的操作；（2）按第一次按钮执行6h工作时间；（3）按第二次按钮执行4h工作时间；（4）按第三次按钮进入待机，停止加热；（5）按第四次按钮回步骤1。

图6 整体接线图

程序流程图如图7所示。

图7 程序流程

6 结论

通过成功调试、试用，可以在几个小时内完成潮湿毛巾的烘干杀菌，耗电量低，大约在50W，能够很好地解决毛巾潮湿细菌滋生的问题，能明显改善使用体验，提升使用者的生活质量。本设计与其他相似产品的创新之处在于采用成熟的开发平台，产品结构简单，价格低廉，安全高效，且使用成熟的平台更有益于成本控制及产品更新。