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结合吹风机之多功能装置
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 臺北城市科技大學資訊工程系】2018年10月08日 星期一

浏览人次:【1679】
  

作者:张献中、黄曼婷、游秀雯、高立瑜、汤元??


一、前言

创作动机

起初是想说现代租屋族这麽多,有些家电似??买了非常不方便搬动,尤其是某些大型家电,倘若我们能使用一些现有的,而且每个家庭都会有的东西去做改良,是不是就能省下一点钱,以及偌大的摆放空间呢?由此想到可以将原产品做最小的改良,得到最大的改变的,便是吹风机,它并非拥有复杂元件之产品,却是每个家庭几??都有的,无论是为了发型好看的目的,或是吹乾头发不让身体着凉,使用的产品,皆为吹风机,因此我们团队将这一产品仅仅拉出了几条控制线,让厂商不必花太多心力去改变产品本身,只要加上我们设计的外挂装置,就可以扩展出相当多的功能。


在功能部分,则是想依照产品原有的功能去做一个延伸,因此想到了能够用於暖衣与烫衣,在烫衣的部分需加装一蒸气制造装置,因此又多了些延伸的目标,如需要蒸气的护发,以及仅需要水气的室内用加湿器。在於成本考量上,不希??使用者购买本装置需要花很多的钱,因此在元件上的采用,也是以物尽其用的方式下去考量,让元件跟本作品具有多用途与多功能。


创作目的

(1)功能性

在使用本装置时,有四种模式的LED会给予使用者提示,行动装置透过蓝芽或WIFI与本作品作连线,以手机APP连结蓝芽或WIFI来设定四种模式,在暖衣过程中随时可监控温湿度的变化,来调整风速与冷热的切换,暖衣结束後,会有蜂呜器会提醒使用者,使用者把衣服拉下即可穿上;在护发模式中,只要使用者洗完发後抹上护发产品,并戴上浴帽或包上保鲜膜,用手机APP设定好後,到装置下方进行处理,即可达到护发功效;在加湿模式中,使用者打开布帘,并操作手机开起雾气即可达到加湿效果;在烫衣模式中,使用者只须事先将正式服装放入後,经由手机设定好後就能开始烫衣,此时使用者即可做其他的出门准备。


(2)创新性

过往大家生活中所使用的吹风机,仅用於吹乾头发,而无他用,而如今本作品赋予吹风机更多用途,本作品是一个可让吹风机外挂的装置,当吹风机装上本装置,即可拥有原本没有的自动吹发(仅限短发)、暖衣、烫衣、护发以及小坪数的室内加湿功能,使得吹风机不再只有用於吹发时,才会显现它的用途。而目前市面上类似於本作品的商品,皆为单一功能,且主要都只用於烘衣或乾衣的部份。


(3)实用性

本装置是由吹风机进行改良而成,因此它除了拥有原本能吹头发的功能之外,还多加了许多额外的功能,让原本单一功能的装置变得多样化,甚至能减少一些产品的购买,让家中空间不被过多单一用途的电器所霸占。另外本装置为跟上时代的趋势,也加装了Wifi模组,借由网路的功能,让本装置也能成为智能家电的产品。


发表与否及其改良说明

本叁赛作品已发表过,在过去主要以暖衣与烫衣为主要制作方向,但却让人有些质疑,甚至觉得或许单一功能的装置在这方便的表现会比本作品好,事实上本作品在暖衣与烫衣,甚至是烘衣部分,皆以少量衣物为主,若以此标准来评断,经过一定时间的测试,由装置内部温湿度感测器的数值变化,可证实本作品的表现不比一般类似商品逊色,不过为了避免过多的质疑,因此如今改以暖衣与护发为主要卖点,当然也加强各功能的稳定性,使本作品随时有最好的状态,让不同於市面商品的功能更为突出,进而显现出本作品的好。


二、工作原理

工作原理及其功能

(1)国产盛群MCU HT66F70A

该系列单晶片是8位元具有高性能精简指令集的Flash单晶片。具有一系列功能和特性,其Flash记忆体可多次程式设计的特性给用户提供了极大的方便。记忆体方面,还包含了一个RAM资料记忆体和一个可用於存储序号、校准资料等非易失性资料的EEPROM记忆体。在模拟特性方面,这款单晶片包含一个多通道12位A/D转换器. 还带有多个使用灵活的计时器模组,可提供定时功能、脉冲产生功能、PWM产生功能、捕捉输入及比较匹配输出功能。内部看门狗计时器和低电压重定等内部保护特性,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靠地运行。该单晶片提供了高速和低速振荡器功能选项,且内建完整的系统振荡器,无需周边元件。


其在不同工作模式之间动态切换的能力,为用户提供了一个优化单晶片操作和减少功耗的手段。外加时基功能、I/O使用灵活等其它特性,使这款单晶片可以广泛应用於各种产品中,例如电子仪器测量、环境监测、掌上型测量工具、家庭应用、电子控制工具与马达控制等方面。



图1 : HT66F70A内部结构图
图1 : HT66F70A内部结构图

(2)蓝芽无线传输模组Bluetooth BC04

蓝芽是近几年才出现和发展起来的一种短距离无线通讯技术,它是一种很复杂的技术,由许多元件和抽象层组成。蓝芽运行在2.4GHz的非授权ISM频段,通信距离只有10m左右。 蓝芽技术具有不同的通信方式,如点对点的通信方式、点对多点的通信方式和较复杂的散射网方式。蓝芽技术标准的开发主要是由早在1998年由爱立信、诺基亚、IBM、东芝和英特尔五家 公司主导成立的蓝芽特殊利益集团(Bluetooth SIG)来完成。蓝芽特殊利益集团在1999年发布最 早的Bluetooth 1.0规范版本,蓝芽技术标准的推出则是为了使得这种低成本低功耗的短距离无 线通讯技术在全球范围得到更广泛的使用。



图2 : 蓝芽模组外观图
图2 : 蓝芽模组外观图

(3)继电器LEG-3

磁簧继电器是以线圈产生磁场将磁簧管作动之继电器,为一种线圈传感装置。因此磁簧继电器之特徵、小型尺寸、轻量、反应速度快、短跳动时间等特性。当整块铁磁金属或者其它导磁物质与之靠近的时候,发生动作,开通或者闭合电路。由永久磁铁和干簧管组成。永久磁铁、干簧管固定在一个不导磁也不带有磁性的支架上。以永久磁铁的南北极的连线为轴线,这个轴线应该与干簧管的轴线重合或者基本重合。由远及近的调整永久磁铁与干簧管之间的距离,当干簧管刚好发生动作(对於常开的干簧管,变为闭合;对於常闭的干簧管,变为断开)时,将磁铁的位置固定下来。这时,当有整块导磁材料,例如铁板同时靠近磁铁和干簧管时,干簧管会再次发生动作,恢复到没有磁场作用时的状态;当该铁板离开时,干簧管即发生相反方向的动作。磁簧继电器结构坚固,触点为密封状态,耐用性高,可以作为机械设备的位置限制开关,也可以用以探测铁制门、窗等是否在指定位置。


规格: 10A 120VAC


10A 24VDC



图3 : 继电器外观图
图3 : 继电器外观图

(4)温湿度感测器AM2302 DHT22

AM2302数位温湿度感测器是一款含有已校准数位信号输出的温湿度复合感测器。它应用专用的数位模组采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。感测器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快回应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2302感测器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程式的形式储存在OTP记忆体中,感测器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串列介面,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最隹选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供。



图4 : 温湿感测器外观图
图4 : 温湿感测器外观图

(5)超音波雾化模组 HA-16-112E-LO

当振动子在水中产生超音波时,会产生一道快速的水流,在液体表面处会有超音波束的聚焦作用,形成超音波喷泉。雾化粒径均匀;雾化粒径易於调整,无长存液体负载,雾化效率极高,无空化现象,雾化稳定,结构小型简化,金属箔喷嘴无虑压电陶瓷潮湿黏度低於15CP值之液体均可雾化。


● 电气叁数:


谐振频率fr = 112kHz±3 kHz


谐振阻抗Ro = max. 80Ω


静态电容Cp = 3000pF±15%


● 雾化片最大输入峰值:Vp-p: Max: 80V


● 雾化片最大输入功率:2W,


正常使用:1~1.5W


● 雾化片?格:¢16mm-112±3kHz


图5 : 超音波雾化器外观图
图5 : 超音波雾化器外观图

(6)万年历模组 DS1307

DS1307是一款低功耗,具有56位元组非失性RAM的全BCD码时钟日历即时时钟晶片,位址和资料通过两线双向的串列汇流排的传输,晶片可以提供秒,分,小时等资讯,每一个月的天数能自动调整。并且有闰年补偿功能。AM/PM 标志位元决定时钟工作於24小时或12小时模式,晶片有一个内置的电源感应电路,具有掉电检测和电池切换功能。


DS1307特点:


●时、分、秒、每月、每周能记述及转换、有闰年补偿、记年上线2100。


●56位元组非失性的RAM


●两线串列介面


●可编程方波输出


●自动掉电检测和切换电路


●在电池备份模式下,功耗小於500Na



图6 : 万年历外观图
图6 : 万年历外观图

(7)无线传输模组Wifi (ESP8266)

ESP8266专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计,并与其他几项专利技术一起使机器实现最低能耗。为满足移动设备和可穿戴性电子产品的功率需求,ESP8266在近距离时可以通过软件编程减少PA的输出功率来降低整体功耗,以适应不同的应用方案。


● 工作电压:3.3V


● 消耗电流:


待机:<200uA


工作:70mA~200 mA


● 工作频率:2.4G Hz


● 输出功率:12 dBm。


● 接收灵敏度:-68dBm。


● 待机状态消耗功率<1.0mW。


● 三种工作模式:


SAT:透过路由器连接网路 。


AP:做为 AP 提供设备连结 。


SAT+AP:混合模式。



图7 : 无线传输模组外观图
图7 : 无线传输模组外观图

(8)RGB LED

RGB灯是以三原色共同交集成像,此外也有蓝光LED配合黄色荧光粉,以及紫外LED配合RGB荧光粉,整体来说,这两种都有其成像原理,但是衰减问题与紫外线对人体影响,都是短期内比较难解决的问题,因此虽然都可以达到白光的需求,却有不同的结果。


图8 : RGB LED外观图
图8 : RGB LED外观图

三、作品结构

系统方块

本系统以HT66F70A作为核心,其以八位元精简指令之微控制器核心为主体,搭配快闪式程式记忆体(Flash Program Memory)、资料记忆体(包含RAM Data Memory) 、输入/输出闸(I/O Ports)、计时模组(Timer Moudle;TM) 、中断控制电路(Interrupt Controller)与看门狗计时器(Watchdog Timerl;WDT) ,用它来控制温湿度感测器(DHT-22)、蜂呜器、RGB LED、继电器(SY-5-K)、超音波雾化模组(HA-16-112E-LO) 、SPI/I2C串列界面模组(Serial Interface Module;SIM)万年历(DS1307) 、蓝芽与WiFi模组。


RGB LED灯的颜色,所代表的模式:


?

白灯:待机模式、自订模式


?

黄灯:暖衣模式


?

红灯:烫衣模式(开机时表示装置预备中)


?

紫灯:护发模式


?

绿灯:加湿模式


?

蓝灯:蓝芽连结中



图9 : 系统方块图
图9 : 系统方块图

APP程式流程

由图10可知,本系统有两种传输方式,分别是蓝芽及Wifi。当使用者使用APP设定完装置後,装置会依据使用者的选择,藉由蓝芽或Wifi来接收「目前模式」、「时间」、「暖热风」及「雾气」等指令,像收到「目前模式」会依据模式来显示代表该模式之灯色。而在启动吹风机时,内部装置会每隔一段时间自行判断内部温度是否超过安全温度,若超过便立马关闭吹风机,并经由蓝芽或Wifi传给APP或上传云端,告知使用者温度过高的讯息,若温度降下,低於危险温度後则会重新启动,继续完成未完成的工作(如时间在安全机制启动期间已到达,则将回到待机状态)。


图10 : APP程式流程图
图10 : APP程式流程图

装置APP

图11 : 手机APP首页面
图11 : 手机APP首页面
图12 : 手机APP设定页面
图12 : 手机APP设定页面
图13 : 手机APP温湿度监看页面
图13 : 手机APP温湿度监看页面

四、测试方法

(1)蓝牙收/发控制

先要设定系统需求为主(Master)、仆(Slave)和还回(Loopback)其中一种工作模式,因为此系统需要自行切换配对端,因此设定为主(Master)模式,模组收发资料就只利用RX、TX两只脚来传送资料或命令,要如何分辨是资料或命令呢?在模组的SET(PIO11)高电位时为命令传输模式,低电位时为资料传输模式,命令格式为AT Command,以下是基本的设定命令。



图14 : 蓝牙指令表
图14 : 蓝牙指令表

(2)温湿度感测器DHT-22

DHT22数位温湿度感测器是一款含有已校准数位信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数位模组采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。感测器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT22感测器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程式的形式储存在OTP记忆体中,感测器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。


DATA 用於微处理器与DHT22之间的通讯和同步,采用单汇流排资料格式,一次通讯时间4ms左右,资料分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用於以後扩展,现读出为零。


操作流程如下:


一次完整的资料传输为40bit,高位先出。资料格式:8bit湿度整数资料+8bit湿度小数资料+8bi温度整数资料+8bit温度小数资料+8bit校验和资料传送正确时校验和资料等於”8bit湿度整数资料+8bit湿度小数资料+8bi温度整数资料+8bit温度小数资料”所得结果的末8位。


主机把汇流排拉低等待DHT22响应,主机把汇流排拉低必须大於18毫秒,保证DHT22能检测到起始信号。DHT22接收到主机的开始信号後,等待主机开始信号结束,然後发送80us低电平回应信号.主机发送开始信号结束後,延时等待20-40us後, 读取DHT22的回应信号,主机发送开始信号後,可以切换到输入模式,或者输出高电平均。



图15 : 温湿感测器读取方法
图15 : 温湿感测器读取方法

汇流排为低电平,说明DHT22发送响应信号,DHT22发送响应信号後,再把汇流排拉高80us,准备发送资料,每一bit资料都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了资料位元是0还是1.格式见下面图示.如果读取回应信号为高电平,则DHT22没有回应,请检查线路是否连接正常.当最後一bit资料传送完毕後,DHT22拉低汇流排50us,随後汇流排由上拉电阻拉高进入空闲状态。


叁考文献

[1] 锺?仁,”HT66FXX Flash MCU━C语言”,全华图书,2011年09月


[2] 林义楠,李智强,”PADS电路板设计实用级国际能力认证教材”,单晶片协会,2015年11月24日


[3] 曾国雄,谭旦旭,” 基础电路学”, 高立图书,2011年01月12日


[4] 郑光钦,黄孝祖,周静娟,吴明瑞,颜培仁,” 电路程式:OrCAD PSpice 16.X(随书附光碟)”,高立


i. 图书, 2013年07月01


[5] 蔡朝洋,” 电子电路实作技术(修订三版)”, 全华图书, 2011年01月12日


[6] ??文渊,文渊阁工作室,” 手机应用程式设计超简单:App Inventor 2零基础入门班(附新手入门影音教学/范例)”, ??峰出图书,2014年04月


[7] ??文渊,文渊阁工作室,”手机应用程式设计超简单:App Inventor 2初学特训班(附综合演练影音教


甲、 学/范例档)”, ??峰出图书,2014年05月15日


[8] 王文彦,” App Inventor 2:Android 行动应用程式开发设计”, 松岗出版社,2015年04月17日


[9] 洪维恩,”C语言教学手册(四版)”,旗标出版社,2007年04月20日


[10] 陈会安,”看图学C语言”, 全华图书,2016年01月18日


[11] 陈锦辉,林雯玲,”C语言初学指引”, 金禾出版社,2016年03月12日


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