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多功能平面清洗機構
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 張獻中、湯元麒等人】   2019年10月25日 星期五

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本系統適用於各式大小的面板,包括廣告看板、液晶面板、玻璃窗戶、太陽能面板等等須定時清潔維護的物品上,以太陽能面板為例,在清洗太陽能面板時,是要依靠清潔公司以人力的方式清洗,清潔人員都必須親自在高樓上清洗,清洗過程相當的困難及危險,清洗的費用也相當昂貴,尤其是PM2.5汙染較嚴重的地方,必須每隔一個禮拜就得清洗一次,否則發電效益會持續下降。因此,我們針對太陽能面板的架構進行改良,只要太陽能面板在組裝時加入我們的系統,它就可以達到定時自動偵測髒污程度。


前言

自動化設計是世界的趨勢,綠能科技是全球的指標,因此我們想製作出一種能夠因應太陽能產業的自動化清潔系統。本系統不僅能夠使用於太陽能板上,也可以對高樓大廈的玻璃帷幕進行清潔,此外也可再刷桿上掛上廣告標語,只要經由手機APP控制刷桿高度,便可使廣告標語掛置在使用者希望掛置的位置。


由於現今太陽能板清洗大多依靠清潔人員來清洗,當清洗人員站在高樓上清洗時,清洗過程相當的困難及危險,因此製作本作品主要目的是在太陽能板組裝時加入我們的系統,它就可以達到定時偵測髒污程度,當髒污程度超過標準值時,為避免沙塵刮傷太陽能板,本系統會先以高壓風槍除去表面沙塵,待沙塵清除完畢後,啟動抽水幫浦將清潔劑噴灑在太陽能板上進行刷洗,此外當下雨時,可藉由雨水來刷洗太陽能板,當室外溫度過高時,還可以同時進行噴水降溫及刷洗太陽能板的動作,透過自動感測之功能而對太陽能板做完全自動化之清洗工作使用起來便利又安全。


研究目的

功能性

當太陽能面板上出現沙塵或灰塵等髒污時,這樣會大大降低太陽能面板的供電效率,但用了這套系統便可自行偵測太陽能面板上的透光度是否足夠,當髒污程度超過標準值時,為避免沙塵刮傷太陽能面板,會先以高壓風槍除去表面沙塵,待沙塵清除完畢後,再使用噴水裝置及清潔刷桿來做清洗。


當夏季炎熱或陽光普照時,會造成玻璃、窗戶的溫度持續上升,可能會突然出現破裂的危機,此時利用這套系統來自行判斷室外溫度,當溫度過高時啟動噴水裝置替玻璃表面降溫。


當下雨時能利用雨水來清洗窗戶,可減少使用者的用水量,不只如此本系統還加了藍牙可將玻璃的資訊傳至手機(溫度與髒污程度)顯示,還可透過手機遙控刷桿至重點部位刷洗;使用者也能設定時間,讓本作品可自動化清洗玻璃。


創新性

此創作是將現在太陽能面板的架構加以變化,從硬體層面說明,只要太陽能面板加入我們的創作構想中,它可達到自動偵測髒污,自我清洗的功能,一般的太陽能面板會長期在外風吹雨淋日曬,還有現今嚴重的PM2.5等,惡劣的環境下會造成太陽能面板的壽命以及發電效能會縮短,為了改善以上敘述的情形,相信這樣的創作對於這世界上所有的太陽能面板會有很大的幫助。


實用性

未來只要太陽能面板在組裝時加入我們的系統,它就可以自動偵測髒污程度,當髒污程度超過標準值時,為避免沙塵刮傷太陽能面板,本系統會先以高壓風槍除去表面沙塵,待沙塵清除完畢後,啟動抽水幫浦將清潔劑噴灑在太陽能面板上進行刷洗,此外當下雨時,可藉由雨水來刷洗太陽能面板,還能在室外溫度過高時,同時進行噴水降溫玻璃及刷洗太陽能面板的動作,以上除了可以省下請工人清潔的費用,還可以不用擔心工人在高空上作業的危險。


原理與分析

系統架構

盛群MCU HT66F70A [1]


該系列單晶片是8位元具有高性能精簡指令集的Flash單晶片。具有一系列功能和特性,其Flash記憶體可多次程式設計的特性給用戶提供了極大的方便。


記憶體方面,還包含了一個RAM資料記憶體和一個可用於存儲序號、校準資料等非易失性資料的EEPROM記憶體。在模擬特性方面,這款單晶片包含一個多通道12位A/D轉換器. 還帶有多個使用靈活的計時器模組,可提供定時功能、脈衝產生功能、PWM產生功能、捕捉輸入及比較匹配輸出功能。內部看門狗計時器和低電壓重定等內部保護特性,外加優秀的抗干擾和ESD保護性能,確保單晶片在惡劣的電磁干擾環境下可靠地運行。


該單晶片提供了高速和低速振盪器功能選項,且內建完整的系統振盪器,無需周邊元件。其在不同工作模式之間動態切換的能力,為用戶提供了一個優化單晶片操作和減少功耗的手段。外加時基功能、I/O使用靈活等其它特性,使這款單晶片可以廣泛應用於各種產品中,例如電子儀器測量、環境監測、掌上型測量工具、家庭應用、電子控制工具、馬達控制等方面。



圖1 : HT66F70A內部結構圖
圖1 : HT66F70A內部結構圖

設計方法



圖2 : 系統方塊圖
圖2 : 系統方塊圖

本系統所使用的微控制器是以盛群半導體的微控制器HT66F70A作為核心,所運用到的有輸入/輸出閘(I/O Ports)、快閃式程式記憶體(Flash Program Memory)、資料記憶體(RAM Data Memory)、特殊功能暫存器(Special Function Reg-ister)、中斷控制電路(Interrupt Controller)、多通道之類比-數位轉換介面(Multi-Channel ADC)、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模擬、SPI/I2C串列介面模組(Serial Interface Module)、計時模組(Timer Module)。


它控制了眾多感測器,能自動偵測玻璃的乾淨程度及室外溫度,當太陽能板發電不足時,本系統便會啟動紅外線遮斷器進行偵測,當偵測到反射訊號不足時,就代表太陽能板上出現髒污或堆積灰塵,這樣太陽能板的供電效率就會降低,因此利用噴風裝置清除表面沙塵,再使用噴水裝置及清潔刷桿來做清洗,如此就能大大提升太陽能板的供電效率。當室外溫度過高時,本系統便會自動噴水來降低玻璃表面溫度。


此外還加裝了雨滴感測器,當下雨時能利用雨水來清洗太陽能板,可減少使用者的用水量,不只如此本系統還加了藍牙,可將太陽能板的資訊傳至手機(溫度與髒污程度)顯示,還可透過手機遙控刷桿至重點部位刷洗。



圖3 : 軟體流程圖
圖3 : 軟體流程圖

自動模式:能定時清潔太陽能板,並可偵測太陽能板是否有髒汙,當下雨時,系統會自行判斷雨勢,會與噴水裝置一同進行清洗,則室外溫度過高時,會啟動噴水裝置,將玻璃表面進行降溫動作。


手動模式:使用者可透過手機APP進行太陽能板清潔控制(如上圖動作模式),並可設定定時清潔,還可設定啟動灑水系統之溫度上限,並可透過手機APP來顯示太陽能板之溫度與乾淨度。


測試方法

藍牙收/發控制[2]


先要設定系統需求為主(Master)、僕(Slave)和還回(Loopback)其中一種工作模式,因為此系統需要自行切換配對端,因此設定為主(Master)模式,模組收發資料就只利用RX、TX兩隻腳來傳送資料或命令,要如何分辨是資料或命令呢?在模組的SET(PIO11)高電位時為命令傳輸模式,低電位時為資料傳輸模式,命令格式為AT Command,以下是基本的設定命令。



圖4 : 藍牙指令表圖
圖4 : 藍牙指令表圖

溫度感測 LM35[3]


LM35是由National Semiconductor所生產的溫度感測器,其輸出電壓與攝氏溫標 呈線性關係,轉換公式如圖5,0時輸出為0V,每升高攝氏1度 ,輸出電壓增加10mV。LM35有多種不同封裝型式,外觀如圖6所示。


在常溫下,LM35 不需要額外的校準處理即可達到+/-1/4度準確率。其電源供應模式有單電源與正負雙電源兩種,正負雙電源的供電模式可提供負溫度的量測;兩種接法的靜默電流溫度關係,單電源模式在攝氏25度下靜默電流約50μA,非常省電。


圖5 : 轉換公式
圖5 : 轉換公式

圖6 : 溫度感測 LM35
圖6 : 溫度感測 LM35

伺服馬達(MG995)[4]


測試TowerPro MG995是要使用脈衝寬度調變(PWM)程式來控制,MG995的控制信號週期是20ms(50Hz)的脈衝寬度調變(PWM)信號,其中脈衝寬度從 0.5ms~2.5ms,是相對應舵盤的位置為 0~180度,只要提供一個寬度的脈衝信號,MG995便會改變輸出角度到對應的位置上。



圖7 : 驅動伺服馬達之訊號
圖7 : 驅動伺服馬達之訊號

紅外線遮斷(CNY-70)[5]


電壓(5V)經由限流電阻330歐姆限制電流後,供應光(紅外線)LED穩定電流,可穩定且持續發出紅外線不可見光。當CNY70前未放置任反射物,則紅外線LED所發射的不可見光無法有效反射至光電晶體,因此光電晶體截止呈現高阻抗,使主控板讀取到的數值接近0V,再經由史密特反向器後,輸出腳位等於電壓(5V),紅外線LED亮。


CNY70動作原理,其內部結構由紅外線發光二極體、光電晶體、光濾波器所組成,其運作的方式是利用光反射的原理,當光電晶體接受到由紅外線發光二極體所發射的光線時,會輸出低電位,而平常狀態的輸出則為高電位。光電晶體的感測距離最主要是透過電阻的 大小來決定,而如何選擇電阻的大小來達到所需的適當距離,讓光電晶體可以接收到訊號正常工作。



圖8 : 紅外線遮斷與動作原理圖
圖8 : 紅外線遮斷與動作原理圖

雨滴感測器[6]


接上電壓(5V)電源,電源指示燈亮,感應板上沒有水滴時,DO輸出為高電平,開關指示燈滅,滴上一滴水,DO輸出為低電平,開關指示燈亮,刷掉上面的水滴,輸出會恢復到高電位狀態。


HDS10雨滴感測器是正特性開關型元件,對低濕不敏感而僅對高濕敏感,可在直流電壓下工作,品質穩定,可靠性達到國際先進水準。


最高使用電壓:DC 0.8V Max


使用溫度範圍:+1~80℃


使用濕度範圍:1~100%;


結霜測試範圍:94~100%;


圖9 : 水滴感測器與動作原理圖
圖9 : 水滴感測器與動作原理圖

藍牙無線傳輸模組 (Bluetooth BC04) [7]


藍牙是近幾年才出現和發展起來的一種短距離無線通訊技術,它是一種很複雜的技術,由許多元件和抽象層組成。藍牙運行在2.4GHz的非授權ISM頻段,通信距離只有10m左右。


藍牙技術具有不同的通信方式,如點對點的通信方式、點對多點的通信方式和較複雜的散射網方式。藍牙技術標準的開發主要是由早在1998年由愛立信、諾基亞、IBM、東芝和英特爾五家公司主導成立的藍牙特殊利益集團(Bluetooth SIG)來完成。藍牙特殊利益集團在1999年發佈最早的Bluetooth 1.0規範版本,藍牙技術標準的推出則是為了使得這種低成本低功耗的短距離無 線通訊技術在全球範圍得到更廣泛的使用。



圖10 : 藍牙模組外觀圖
圖10 : 藍牙模組外觀圖

直流馬達



圖11 : 直流馬達與工作原理圖
圖11 : 直流馬達與工作原理圖

伺服馬達(MG995) [8]


若角度控制兩個訊號的高電位寬度差異小於1us,馬達即不會有任何變動。扭力的單位是kg-cm,意思是在擺臂長度1公分處,能吊起幾公斤重的物體這就是力臂的觀念,因此擺臂長度愈長,則扭力愈小。速度的單位是sec/60°,意思是舵機轉動 60° 所需要的時間。


扭力9.4(kg-cm);11(kg-cm)


測試電壓4.8(V); 6(V)


使用溫度0~60°C


死區設定為1us


插頭類型JR (Fits JR and Futa-ba) 通用


轉動角度最大 180度


工作電流100mA(空載)


使用電壓3.0 ~ 7.2V



圖12 : 伺服馬達
圖12 : 伺服馬達

3D零件圖

本作品也利用現今的3D列印技術(如圖13所示),列印出齒輪、刷桿等一些小零件,來代替原有使用塑膠等不可回收之材質做成的零件。而3D列印機的原料是由玉米木薯等農作物提煉的物質來進行聚合反應而成的可說相當的環保(如圖14所示)。



圖13 : 3D零件
圖13 : 3D零件

圖14 : 3D應用耗材圖[9]
圖14 : 3D應用耗材圖[9]

結論

在初期規劃裡,不只是想使用在各大樓的窗戶上,也想使用在綠能科技中大有發展趨勢的太陽能板上,並為了結合現代全球重視的環保概念,我們利用3D列印技術製作了刷桿、齒輪等一些小零件,來代替原有使用塑膠等不可回收之材質做成的零件。


透過上面的步驟,可看出只要是帷幕、玻璃、太陽能板等等須定時清潔維護的物品上,加入本裝置就能讓這些小機件達到多功能平面清洗的功效,且清潔動作完全自動化,會定時偵測髒污程度、會為避免沙塵、髒污等刮傷太陽能板及玻璃,先以高壓風槍除去表面髒污,清除完畢再清潔太陽能板、當下雨時為了節省水能源,自動利用雨水來刷洗太陽能板、發現室外溫度過高時,怕玻璃窗戶等會出現破裂的危機自動替玻璃表面降溫,也對於一般家庭主婦來說非常的方便,窗戶不但能自動清潔,還能省下清潔公司的清洗費用,同時省下清潔窗戶的時間,能夠有多點時間陪伴家人或是做其他事務。


(作者為張獻中1、湯元麒2、黃曼婷2、高立瑜2、廖健華2、陳威豪2為臺北城市科技大學資訊工程系1教授、2機電整合碩士班生;本文為第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告)


參考文獻

[1] 鍾?仁編著,全華圖書,”HT66FXX Flash MCU-C語言”,2011年09月初版


[2] "藍牙模組與處理器之連結控制設計與實作”,國立成功大學 機電工程學系 碩士論文,鄭皓云 研究生,民國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] 雨滴感測器 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)與PLA合膠環保材質 http://www.pidc.org.tw/zh-tw/DIV13/13/PTSAMail/pages/2018-04-02.htm


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