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多功能平面清洗机构
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 張獻中、湯元麒等人】2019年10月25日 星期五

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本系统适用於各式大小的面板,包括广告看板、液晶面板、玻璃窗户、太阳能面板等等须定时清洁维护的物品上,以太阳能面板为例,在清洗太阳能面板时,是要依靠清洁公司以人力的方式清洗,清洁人员都必须亲自在高楼上清洗,清洗过程相当的困难及危险,清洗的费用也相当昂贵,尤其是PM2.5污染较严重的地方,必须每隔一个礼拜就得清洗一次,否则发电效益会持续下降。因此,我们针对太阳能面板的架构进行改良,只要太阳能面板在组装时加入我们的系统,它就可以达到定时自动侦测脏污程度。


前言

自动化设计是世界的趋势,绿能科技是全球的指标,因此我们想制作出一种能够因应太阳能产业的自动化清洁系统。本系统不仅能够使用於太阳能板上,也可以对高楼大厦的玻璃帷幕进行清洁,此外也可再刷杆上挂上广告标语,只要经由手机APP控制刷杆高度,便可使广告标语挂置在使用者希??挂置的位置。


由於现今太阳能板清洗大多依靠清洁人员来清洗,当清洗人员站在高楼上清洗时,清洗过程相当的困难及危险,因此制作本作品主要目的是在太阳能板组装时加入我们的系统,它就可以达到定时侦测脏污程度,当脏污程度超过标准值时,为避免沙尘刮伤太阳能板,本系统会先以高压风枪除去表面沙尘,待沙尘清除完毕後,启动抽水帮浦将清洁剂喷洒在太阳能板上进行刷洗,此外当下雨时,可藉由雨水来刷洗太阳能板,当室外温度过高时,还可以同时进行喷水降温及刷洗太阳能板的动作,透过自动感测之功能而对太阳能板做完全自动化之清洗工作使用起来便利又安全。


研究目的

功能性

当太阳能面板上出现沙尘或灰尘等脏污时,这样会大大降低太阳能面板的供电效率,但用了这套系统便可自行侦测太阳能面板上的透光度是否足够,当脏污程度超过标准值时,为避免沙尘刮伤太阳能面板,会先以高压风枪除去表面沙尘,待沙尘清除完毕後,再使用喷水装置及清洁刷杆来做清洗。


当夏季炎热或阳光普照时,会造成玻璃、窗户的温度持续上升,可能会突然出现破裂的危机,此时利用这套系统来自行判断室外温度,当温度过高时启动喷水装置替玻璃表面降温。


当下雨时能利用雨水来清洗窗户,可减少使用者的用水量,不只如此本系统还加了蓝牙可将玻璃的资讯传至手机(温度与脏污程度)显示,还可透过手机遥控刷杆至重点部位刷洗;使用者也能设定时间,让本作品可自动化清洗玻璃。


创新性

此创作是将现在太阳能面板的架构加以变化,从硬体层面说明,只要太阳能面板加入我们的创作构想中,它可达到自动侦测脏污,自我清洗的功能,一般的太阳能面板会长期在外风吹雨淋日晒,还有现今严重的PM2.5等,恶劣的环境下会造成太阳能面板的寿命以及发电效能会缩短,为了改善以上叙述的情形,相信这样的创作对於这世界上所有的太阳能面板会有很大的帮助。


实用性

未来只要太阳能面板在组装时加入我们的系统,它就可以自动侦测脏污程度,当脏污程度超过标准值时,为避免沙尘刮伤太阳能面板,本系统会先以高压风枪除去表面沙尘,待沙尘清除完毕後,启动抽水帮浦将清洁剂喷洒在太阳能面板上进行刷洗,此外当下雨时,可藉由雨水来刷洗太阳能面板,还能在室外温度过高时,同时进行喷水降温玻璃及刷洗太阳能面板的动作,以上除了可以省下请工人清洁的费用,还可以不用担心工人在高空上作业的危险。


原理与分析

系统架构

盛群MCU HT66F70A [1]


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、马达控制等方面。



图1 : HT66F70A内部结构图
图1 : HT66F70A内部结构图

设计方法



图2 : 系统方块图
图2 : 系统方块图

本系统所使用的微控制器是以盛群半导体的微控制器HT66F70A作为核心,所运用到的有输入/输出闸(I/O Ports)、快闪式程式记忆体(Flash Program Memory)、资料记忆体(RAM Data Memory)、特殊功能暂存器(Special Function Reg-ister)、中断控制电路(Interrupt Controller)、多通道之类比-数位转换介面(Multi-Channel ADC)、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模拟、SPI/I2C串列介面模组(Serial Interface Module)、计时模组(Timer Module)。


它控制了众多感测器,能自动侦测玻璃的乾净程度及室外温度,当太阳能板发电不足时,本系统便会启动红外线遮断器进行侦测,当侦测到反射讯号不足时,就代表太阳能板上出现脏污或堆积灰尘,这样太阳能板的供电效率就会降低,因此利用喷风装置清除表面沙尘,再使用喷水装置及清洁刷杆来做清洗,如此就能大大提升太阳能板的供电效率。当室外温度过高时,本系统便会自动喷水来降低玻璃表面温度。


此外还加装了雨滴感测器,当下雨时能利用雨水来清洗太阳能板,可减少使用者的用水量,不只如此本系统还加了蓝牙,可将太阳能板的资讯传至手机(温度与脏污程度)显示,还可透过手机遥控刷杆至重点部位刷洗。



图3 : 软体流程图
图3 : 软体流程图

自动模式:能定时清洁太阳能板,并可侦测太阳能板是否有脏污,当下雨时,系统会自行判断雨势,会与喷水装置一同进行清洗,则室外温度过高时,会启动喷水装置,将玻璃表面进行降温动作。


手动模式:使用者可透过手机APP进行太阳能板清洁控制(如上图动作模式),并可设定定时清洁,还可设定启动洒水系统之温度上限,并可透过手机APP来显示太阳能板之温度与乾净度。


测试方法

蓝牙收/发控制[2]


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4 : 蓝牙指令表图
图4 : 蓝牙指令表图

温度感测 LM35[3]


LM35是由National Semiconductor所生产的温度感测器,其输出电压与摄氏温标 呈线性关系,转换公式如图5,0时输出为0V,每升高摄氏1度 ,输出电压增加10mV。LM35有多种不同封装型式,外观如图6所示。


在常温下,LM35 不需要额外的校准处理即可达到+/-1/4度准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测;两种接法的静默电流温度关系,单电源模式在摄氏25度下静默电流约50μA,非常省电。


图5 : 转换公式
图5 : 转换公式

图6 : 温度感测 LM35
图6 : 温度感测 LM35

伺服马达(MG995)[4]


测试TowerPro MG995是要使用脉冲宽度调变(PWM)程式来控制,MG995的控制信号周期是20ms(50Hz)的脉冲宽度调变(PWM)信号,其中脉冲宽度从 0.5ms~2.5ms,是相对应舵盘的位置为 0~180度,只要提供一个宽度的脉冲信号,MG995便会改变输出角度到对应的位置上。



图7 : 驱动伺服马达之讯号
图7 : 驱动伺服马达之讯号

红外线遮断(CNY-70)[5]


电压(5V)经由限流电阻330欧姆限制电流後,供应光(红外线)LED稳定电流,可稳定且持续发出红外线不可见光。当CNY70前未放置任反射物,则红外线LED所发射的不可见光无法有效反射至光电晶体,因此光电晶体截止呈现高阻抗,使主控板读取到的数值接近0V,再经由史密特反向器後,输出脚位等於电压(5V),红外线LED亮。


CNY70动作原理,其内部结构由红外线发光二极体、光电晶体、光滤波器所组成,其运作的方式是利用光反射的原理,当光电晶体接受到由红外线发光二极体所发射的光线时,会输出低电位,而平常状态的输出则为高电位。光电晶体的感测距离最主要是透过电阻的 大小来决定,而如何选择电阻的大小来达到所需的适当距离,让光电晶体可以接收到讯号正常工作。



图8 : 红外线遮断与动作原理图
图8 : 红外线遮断与动作原理图

雨滴感测器[6]


接上电压(5V)电源,电源指示灯亮,感应板上没有水滴时,DO输出为高电平,开关指示灯灭,滴上一滴水,DO输出为低电平,开关指示灯亮,刷掉上面的水滴,输出会恢复到高电位状态。


HDS10雨滴感测器是正特性开关型元件,对低湿不敏感而仅对高湿敏感,可在直流电压下工作,品质稳定,可靠性达到国际先进水准。


最高使用电压:DC 0.8V Max


使用温度范围:+1~80℃


使用湿度范围:1~100%;


结霜测试范围:94~100%;


图9 : 水滴感测器与动作原理图
图9 : 水滴感测器与动作原理图

蓝牙无线传输模组 (Bluetooth BC04) [7]


蓝牙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。蓝牙运行在2.4GHz的非授权ISM频段,通信距离只有10m左右。


蓝牙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。蓝牙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牙特殊利益集团(Bluetooth SIG)来完成。蓝牙特殊利益集团在1999年发布最早的Bluetooth 1.0规范版本,蓝牙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10 : 蓝牙模组外观图
图10 : 蓝牙模组外观图

直流马达



图11 : 直流马达与工作原理图
图11 : 直流马达与工作原理图

伺服马达(MG995) [8]


若角度控制两个讯号的高电位宽度差异小於1us,马达即不会有任何变动。扭力的单位是kg-cm,意思是在摆臂长度1公分处,能吊起几公斤重的物体这就是力臂的观念,因此摆臂长度愈长,则扭力愈小。速度的单位是sec/60。,意思是舵机转动 60。 所需要的时间。


扭力9.4(kg-cm);11(kg-cm)


测试电压4.8(V); 6(V)


使用温度0~60。C


死区设定为1us


??头类型JR (Fits JR and Futa-ba) 通用


转动角度最大 180度


工作电流100mA(空载)


使用电压3.0 ~ 7.2V



图12 : 伺服马达
图12 : 伺服马达

3D零件图

本作品也利用现今的3D列印技术(如图13所示),列印出齿轮、刷杆等一些小零件,来代替原有使用塑胶等不可回收之材质做成的零件。而3D列印机的原料是由玉米木薯等农作物提炼的物质来进行聚合反应而成的可说相当的环保(如图14所示)。



图13 : 3D零件
图13 : 3D零件

图14 : 3D应用耗材图[9]
图14 : 3D应用耗材图[9]

结论

在初期规划里,不只是想使用在各大楼的窗户上,也想使用在绿能科技中大有发展趋势的太阳能板上,并为了结合现代全球重视的环保概念,我们利用3D列印技术制作了刷杆、齿轮等一些小零件,来代替原有使用塑胶等不可回收之材质做成的零件。


透过上面的步骤,可看出只要是帷幕、玻璃、太阳能板等等须定时清洁维护的物品上,加入本装置就能让这些小机件达到多功能平面清洗的功效,且清洁动作完全自动化,会定时侦测脏污程度、会为避免沙尘、脏污等刮伤太阳能板及玻璃,先以高压风枪除去表面脏污,清除完毕再清洁太阳能板、当下雨时为了节省水能源,自动利用雨水来刷洗太阳能板、发现室外温度过高时,怕玻璃窗户等会出现破裂的危机自动替玻璃表面降温,也对於一般家庭主妇来说非常的方便,窗户不但能自动清洁,还能省下清洁公司的清洗费用,同时省下清洁窗户的时间,能够有多点时间陪伴家人或是做其他事务。


(作者为张献中1、汤元麒2、黄曼婷2、高立瑜2、廖健华2、陈威豪2为台北城市科技大学资讯工程系1教授、2机电整合硕士班生;本文为第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献

[1] 锺?仁编着,全华图书,”HT66FXX Flash MCU━C语言”,2011年09月初版


[2] "蓝牙模组与处理器之连结控制设计与实作”,国立成功大学 机电工程学系 硕士论文,郑皓云 研究生,民国94年7月


[3] LM35 DATASHEET http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf


[4] MG995 DATASHEET https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Tower-Pro.pdf


[5] CNY70 DATASHEET https://www.vishay.com/docs/83751/cny70.pdf


[6] 雨滴感测器 http://lijen888.blogspot.com/2016/08/arduino.html


[7] BC04 DATASHEET


http://www.hotlife.com.tw/specification/HL-MD08R-C2-IOD_UsersManual_CHT.pdf


[8] MG995 DATASHEET https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Tower-Pro.pdf


[9] 聚乳酸(PLA)与PLA合胶环保材质 http://www.pidc.org.tw/zh-tw/DIV13/13/PTSAMail/pages/2018-04-02.htm


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