基于STM32的自动干衣架控制器设计

徐梦瑶,张有铭,葛贝宁,方晓宇,闫 海,郭 斌*

(1.新疆农业大学 计算机与信息工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.智能农业教育部工程研究中心,新疆 乌鲁木齐 830052;3.新疆农业信息化工程技术研究中心,新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

随着中国经济的快速增长和改革开放的深入推进,人均收入水平不断提高,人民的衣食住行发生了很大的改变。现代人们对于衣物的需求不仅仅停留在可穿戴的功能上,更追求舒适、健康的体验。然而,在人们生活质量提高的过程中,潮湿天气或是洗过的衣物没有及时干燥将会给生活带来烦恼。潮湿的衣物增加了皮肤周围的湿气,这样的湿气环境容易滋生细菌和真菌,引发皮肤过敏等健康问题[1]。

在科学技术快速进步的新时代,衣物烘干设备也得到了迅速的发展。目前市面上存在的干衣设备种类繁多,其中热泵干衣机因其高效、省电的特点受到消费者的青睐。然而,热泵干衣机价格昂贵,并且干燥时间较长,对于急需更换衣物的人们来说并不方便。另一种常见的干衣设备是传统电加热干衣机,它通过加热元件对衣物进行干燥。然而,这类干衣机存在一些安全隐患,比如容易引发火灾、产生噪声和湿气污染等[2]。而且,由于加热元件不能均匀加热衣物,使用传统电加热干衣机容易导致衣物皱缩。最重要的是以上2款干衣设备对于外出旅游、出差的人来说携带极不方便。因此,干衣设备不仅要能够快速烘干衣物,还需要考虑使用过程中的安全因素,确保用户的身体健康和生命安全。同时,干衣设备的设计还要注重细节,需要避免衣物损坏或皱缩等问题,提高可携带性,提供更好的用户体验。由此可见,在快速烘干的基础上,设计一款安全性高、干衣质量好、方便携带的自动干衣架具有重要意义,将为人们带来更轻松、方便、健康、舒适的生活体验。

1 干衣架原理

1.1 热泵干衣设备原理

热泵干衣机已成为干衣设备中较受欢迎的选择,它结合热泵循环和空气循环构成了复杂的干燥系统。热泵循环系统包括压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器;空气循环系统包括干衣筒、冷凝器和蒸发器。在运行时,制冷剂从压缩机中被释放出来,经过冷凝器释放热量,并转变为高温低压气体。然后,经过节流元件进一步降低温度和压力后到达蒸发器,在蒸发器中,低温低压的制冷剂蒸发吸热,形成低温低压气体,然后进入压缩机,形成高温高压气体,完成循环。与此同时,高温低湿度的空气从冷凝器中释放出来,经过风道进入干衣筒与衣物进行热量交换。这样,空气温度降低,湿度升高,而衣物的温度上升,湿度下降。接着,空气再次进入蒸发器,其温度和湿度都会进一步降低。水蒸气在蒸发器上被冷凝并收集起来。最后,通过风道进入冷凝器加热的空气变为高温干燥空气,完成整个空气循环过程。热泵干衣机工作原理如图1所示。

图1 热泵干衣机原理

1.2 本设计干衣架原理

本系统使用DHT11检测衣物的相对湿度,将实时湿度数据传输给STM32微控制器,STM32微控制器接收到湿度信息后,会判断是否需要驱动PTC制热元件。当DHT11反馈的湿度水平低于所设阈值时,表示衣物已经烘干,此时STM32微控制器驱动蜂鸣器提醒使用者衣物烘干工作完成,并停止设备工作。同时,当设备出现异常工作情况时,也会驱动蜂鸣器,提醒使用者采取正确措施,避免发生意外。然而,由于PTC制热的工作电压是12 V,STM32微控制器输出的高电平无法直接驱动PTC制热元件工作,因此利用STM32输出的高电平来控制继电器,进而控制PTC制热元件的升温过程[3],以此实现干衣功能。在干衣过程中,特别需要注意调整热风的温度,避免防止温度过高损伤衣物。常见材质衣物损伤和烘干温度如表1所示。

表1 常见材质衣物损伤和烘干温度 单位:℃

2 系统设计

干衣架控制器的设计主要包括STM32微控制器、PTC制热、继电器、温湿度检测、警报5个功能模块,各模块之间相互协调,共同完成干衣架控制功能。具体功能模块如图2所示。

图2 干衣架功能模块

主控元件采用STM32F1037VET6,温湿度采集选用DHT11温湿度传感器,继电器型号SRD-05VDCSL-C,警报模块使用TMB12A蜂鸣器。为了产生热风,本文采用将PTC制热元件与风扇相结合的形式,具体硬件连接电路如图3所示。

图3 干衣架硬件电路

2.1 控制模块

STM32微控制器是现代干衣设备中不可或缺的关键组件。通过连接DHT11温湿度传感器,可以准确获取、监测衣物的温湿度值,并根据这些数据进行智能控制,实现高效、精准的烘干。在干衣过程中,STM32微控制器起到了核心调控的作用。它可以通过分析传感器输入的数据,自动调节加热元件和风扇的运行状态,以达到最佳的烘干效果。当检测到湿度过高时,控制模块会启动热风功能,将衣物中的水分蒸发。而当湿度接近设定阈值时,会停止加热只留风扇工作,加快衣物表面的水分蒸发速度,从而实现快速而均匀地烘干。当湿度达到设定阈值时风扇停止工作,衣物烘干完成。

此外,STM32微控制器还担负着安全保护的重要任务。通过分析衣物的湿度和温度值,能够在出现异常或故障时及时停止加热元件和风扇的运行,避免潜在的火灾风险。同时,该控制模块还具备过温保护功能,能够在温度超过安全范围时自动降温或停机,确保安全使用。

2.2 热风模块

热风模块是干衣架中负责烘干衣物的关键模块。此模块使用PTC制热元件与风扇结合,实现热风效果。PTC制热元件采用正温度系数材料,通过增加电阻来产生热量,这种制热方式简单快捷且无污染[4]。其功能是在恒定的温度下提供均匀的热量,快速地将湿衣物加热至干燥状态。PTC材料在低温时具有较低的电阻,但随着温度的升高,其电阻值会显著增大。当给PTC材料通电时,会在较低温度下迅速加热,然后在达到一定温度时,其电阻值迅速上升,从而限制了进一步的加热,这个过程不仅可以提供稳定的加热能力,还有保护设备和衣物的作用[5]。PTC制热元件结构如图4所示。

2.3 继电器控制模块

继电器控制模块用于控制PTC制热模块的启停。STM32微控制器通过控制继电器的触点状态来启动或停止加热功能。继电器控制模块与微控制器进行连接,并根据STM32微控制器的指令切换PTC制热模块的电源[6]。继电器结构原理如图5所示。

2.4 温湿度检测模块

本设计使用DHT11检测温湿度,DHT11可检测20%～90% 范围的相对湿度,具有价格低廉,简单易用、性能稳定、响应超快、抗干扰能力强、数字信号输出、精确校准等优点[7]。此模块通过单总线数字信号接口进行通信,只需要一个数字I/O引脚来发送数据,并可以直接与微控制器等设备连接[8],在发送数据时共发送40 bit数据,其中湿度值占16 bit,具体数据格式如表2所示。此模块能够实时监测衣服湿度,并将湿度值传输至STM32微控制器。该模块的作用是反馈湿度信息,以便控制系统调整烘干时间和热风的温度,以达到更好的烘干效果。

表2 DHT11读取数据格式

2.5 警报模块

警报元件选择电磁式蜂鸣器TMB12A,电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性振动发声[9]。TMB12A通过与STM32微控制器连接,在干衣架工作的过程中发出提示声,提醒用户衣服烘干完成。如果干衣架发生故障、温度过高或出现其他异常情况,警报模块也会发出警报,并促使采取适当的措施,以此保障设备正常运行,以免发生事故。

3 系统实现

在实现过程中,使用Keil uVision5编写代码,通过判断湿度的相对值从而驱动继电器来控制PTC制热元件的功率以达到控制热风的温度和风速的目的。在读取相对湿度的代码中首先定义2个静态函数“DATA_OUTPUT”和“DATA_INPUT”,用于设置GPIO引脚的输入输出模式,并通过读写GPIO引脚来控制DHT11数据线。定义函数“DH11_Read_Byte”用于读取DHT11发送的8位数据,这里使用了简单的时序判断。“DH11_Read”是主要的读取函数,它通过向DHT11发送信号并读取返回的数据来获取温度和湿度值。在读取数据之前会进行初始化操作,并对读取的数据进行校验。“Test”是一个测试函数,它通过调用“DH11_Read”函数来获取温湿度值,并将结果保存在全局结构体“DH11_data”的相应字段中。“DH11_Task”是一个任务函数,它通过调用“Test”函数来执行温湿度传感器的读取操作。接收到数据后判断相对湿度的值,进而控制引脚输出高电平。干衣架控制流程如图6所示。

图6 干衣架控制流程

本设计针对传统衣架进行了改造,并把控制模块装进衣架内,使其成为可以折叠、方便携带的干衣架。干衣架有2种形态,一种是展开晾衣形态,一种是折叠携带形态,具体形态如图7—8所示。

图7 自动干衣架展开晾衣形态实物

图8 自动干衣架折叠携带形态实物

4 结语

本款自动干衣架采用STM32微控制器,通过连接温湿度检测模块、PTC热风模块、警报模块以及继电器控制模块完成了一系列高效、智能的操作。这种自动干衣架操作简单、安全隐患低、干衣质量高,且可以为经常外出旅行的人提供有效的干衣方案。

相较于传统的干衣机,本款自动干衣架在内部设计上具有显著优势。首先,它使用自动控制模块,可以根据实时湿度值调整加热元件和风扇的工作状态。其次,使用PTC热风模块,可实现更快速、均匀的干燥效果。再次,它还配有警报模块,当温度过高或出现故障时会自动报警,避免潜在危险。最后,它还具有极高的便利性,用户只需将衣物挂在干衣架上,插上电源即可自动烘干,无需复杂的设置步骤,轻松解决了用户日常生活中的实际问题。

本自动干衣架的控制器设计既保证了干燥的效果,又保持了良好的安全性和便利性。未来,它有望在家居、酒店等领域得到广泛应用,给用户带来更加舒适、便捷的生活体验。此类智能化、高效化、环保化的自动干衣架将会为人们的生活带来更多的便捷与舒适。