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具智慧监控之伞架装置
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 劉銘中、郭書維等人】2020年09月14日 星期一

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每当下雨的日子来临,通常一回到家都会急着将湿透的雨伞放置於阳台晒乾,如果使用者没有立即将湿答答的雨伞擦乾,有时候地板会因雨伞滴下的水而导致积水与湿滑,若地上的水没有即时用拖把或抹布擦乾,除了会造成家人在走动时因失足滑倒而发生不可预期的危险外,还会导致居家环境的脏乱,为了解决此一令人困扰的现象,本作品「具智慧监控之伞架装置」的构思油然而生。


本作品具有可切换模式的开关、可启动/关闭伞架运转的按钮、LED提示、语音提示,喇叭警示,自动转动放置雨伞之伞座、侦测蓄水箱水位、蓝牙传输、可设定风扇转速以及烘乾时间等诸多功能,除了可快速将沾满雨水的雨伞吹乾避免造成地上积水与湿滑外,还兼具保护使用者的安全以及改善居家的生活品质,可说是一举数得。本作品除了家用外,还可应用於任何用得到伞架的公司行号与场所。


目前市售的伞架类型,大多都是单纯放置或者将底部稍微改造,改造成可让伞上的水滴流入底部放置的小盆栽,将水滴加以利用,但底部的空间有限,多馀的水分最终还是会溢出来,造成地板湿滑而导致行走不便,并造成环境的脏乱,而影响到生活的品质。


另外,在现代的公寓中,当使用者在下雨天回到家时,大部分都是直接将湿搭搭的伞架放在室内阳台上晒乾,但多把湿透的雨伞同时处於蒸发的状况下,可能会导致空气中的湿气明显增加,若室内通风不良时,过多的湿气很容易产生霉味,严重的话甚至会影响到呼吸道系统,造成身体不适,这不是大家乐於到见的。


本系统功能可以与目前的伞架做结合,雨伞可以透过系统内部的强风,使雨滴快速流至底部的水箱,若水箱中的水位到达预设高度时,语音装置会发出语音提示声让使用者知道水箱已满,可取出倒掉,同时会透过蓝牙将讯息传至手机,即时让使用者知道伞架的状况,透过以上的结合,除了可快速的将湿透的雨伞吹乾外,还可降低空气中的湿气。


环境中的湿气如果过高,人体代谢就会受影响,排汗量减少造成湿气滞留体内。根据相关医学文献记载,心脏不好或血压偏低的人,本身代谢较差,外在环境湿气容易加重症状,或导致身体酸痛,这些对於人体而言,都是一种慢性发炎。体内湿气共分三阶段,若因代谢差又缺乏运动等,初期湿气会逐渐累积在体内;如果没有及早改善生活习惯,久而久之进入中期,湿气就会变成「淤」,导致高血脂、高血压及身体发炎;後期则会引发较严重的慢性疾病,甚至易成罹癌体质。因此,在这个电子科技发达的时代,希??能将一些实用的功能应用到本作品『具智慧监控之伞架装置』上,来改善上述所提到的缺点。


本作品的功能性、创新性与实用性如下:


功能性

「具智慧监控之伞架装置」具有模式切换、防误触、转动雨伞、烘伞、语音提示、LED提示、控制风扇高度、控制风扇转速、侦测水位高度、具手机设定烘伞时间与云端显示等等功能。


为了避免误触系统,我们在装置周围安装了红外线,当没有侦测讯号时,手机将不能对伞架进行控制,反之,系统会透过蓝牙传送讯息至使用者手机,告知使用者可进行操作。


当使用者??入雨伞时,透过底部的扣环及外壳的特殊盖子将其固定,以利雨伞的转动,使用者可利用手机随时控制风速,手机也可控制烘伞的时间,让使用者可依照个人习惯去进行设定,当开始/结束时,系统都会传送讯息至手机,并透过语音提醒使用者开始/结束烘伞,若伞架装置处於开启的状态。另外,也保持了伞架最基本的功能,在伞架後面设置了一个管子,使用者可将烘完的雨伞吊在上面。


创新性

本作品具有诸多创新性,其中创新性的顺序,依序为可依照使用者的习惯,进行模式的选择,可快速将沾满雨水的伞快速吹乾,可自动转动放置雨伞之伞座,具可调速的风扇,可设定烘伞时间,启动/关闭钮,可随时暂停伞架执行,用以指示正在烘伞与烘伞结束的指示灯与语音装置,可透过手机对伞架进行远端的控制,云端显示伞架的讯息。这些都是一般市面上单纯只能放雨伞的伞架所不具有的功能,相信这些新颖的创新性对一般使用者是有助益的。


实用性

本作品的实用性在於,所拥用有的一些与市面上一般常见的伞架不一样的功能,不仅可快速的将令人困扰的湿答答的雨伞吹乾,避免造成地上湿滑而导致环境脏乱,滑倒或受伤,还可让使用者即时的将吹乾的伞收起来,这对一般的使用者或家庭来说,可说是受惠良多。对企业来说,下雨天客户来到公司开会,此公司若摆设这样的伞架装置,客户即可在开会的时候,顺边将雨伞吹乾。


工作原理

图1为「具智慧监控之伞架装置」之完整电路图,整个系统以HT66F70A微控制器为主要控制核心,来控制其它周边元件,例温湿度感测器、红外线发射/接收器、伺服马达、风扇、按键、微动开关、语音及音频放大器模组、滑动开关、LED、蓝牙模组及手机等元件,来完成整个系统的运作,以便让本系统的整体运作更加的流畅与完善,以下为相关元件控制电路与工作原理。



图1 : 具智慧监控之伞架装置完整电路图
图1 : 具智慧监控之伞架装置完整电路图

LED之控制电路与工作原理

图2为本系统 LED 的控制电路图,其中连接至PC.0与PC.1的LED0与LED1分别用以指示烘伞正在运作中与烘伞已结束,至於连接至PC.2的LED2则用以指示水箱中的水是否已碰触到水位感测器,若红外线侦测到水箱中的浮球时,代表水位达到预设高度,则LED2会点亮。


图2 : LED之控制电路图
图2 : LED之控制电路图

温湿度感测器之控制电路与工作原理

图3为本系统温湿度感测器之控制电路图,其中 DATA接脚与微控制器的接脚PG.2联接。温湿度感测器 (DHT11) 是用电阻方式感应湿度,并用 NTC 方式感应温度,DHT 内本来就有一颗 8 位元MCU,MCU 的工作就是把感测到的温度、湿度,以数位信号方式,经由 DATA←PG.2 传送到微控制器做相对应的处理。


图3 : 温湿度感测器之控制电路图
图3 : 温湿度感测器之控制电路图

滑动开关之控制电路与工作原理

图4为本系统滑动开关的控制电路图,其中OUT接脚与微控制器的脚位PG.3接在一起。滑动开关内部置有滑块,操作时通过不同的方式驱动,带动滑块使滑块动作,开关触点接通或断开,从而起到开关作用。通过装有滑块的开关,拨柄滑动,使滑块从一组弹片接到另一组弹片上实现电路换接的开关。


图4 : 滑动开关之控制电路图
图4 : 滑动开关之控制电路图

语音与音频放大器模组控制电路与工作原理

图5所示为本系统语音模组与音频放大器模组的控制电路图,其中语音模组主要是用来发出提示语音之用。语音模组 (TDB381) 的控制方法有很多种,本作品是采用普通直放介面。语音模组上的P7、P6、P5接脚与HT66F70A的PG.4、PG.5、PG.6接脚连结,低电位时会从SD卡内储存的档案拨放输出。至於音频功率放大模组则是用来进行声音放大之用,将喇叭的正极与负极与音频功率放大器模组的OUT1+及OUT1- 分别接上,就可将语音模组的声音放大播出。



图5 : 语音模组与音频放大器模组控制电路图
图5 : 语音模组与音频放大器模组控制电路图

伺服马达之控制电路与工作原理

图6为伺服马达(GWS S35)之控制电路图,其中PWM接脚与微控制器的脚位PG.7接在一起。一般的伺服马达都是属於定位机型,最大的旋转角度为180度,GWS S35由於内部的特殊齿轮结构,可连续旋转360度,且扭力大於步进马达,透过其优点来将雨伞转动。


图6 : 伺服马达之控制电路图
图6 : 伺服马达之控制电路图

红外线发射/接收器之控制电路与工作原理

图7为红外线发射/接收器之控制电路图,一个是用来侦测雨伞是否??入扣环,当雨伞处於红外线发射器与接收器之间时,因红外线被遮断,导致接脚PG.0为高电位,此时手机将可对烘伞架进行设定。另一个是用来侦测水位,水箱内设有一颗浮球,当水位上升时,若侦测到浮球,此时红外线被遮断,接脚PG.1为高电位,伞架将强制停止。



图7 : 红外线发射/接收器之控制电路图
图7 : 红外线发射/接收器之控制电路图

LCD之控制电路与工作原理

图8示为本系统LCD之控制电路图,主要功能为显示设定的时间以及温湿度感测器测得的室内温度及湿度。整合型LCD传输介面多达四种,有4 bit、8 bit、SPI与I2C等可供选择,本系统选用脚位使用最少且目前市面上或业界普遍都在使用的I2C模式进行传输,只需将ATMEGA2560微控制器的PA.6(SDA)、PA.7(SCL)接脚与LCD的SDA、SCL脚连接,就能撰写程式控制LCD显示资料。



图8 : LCD之控制电路图
图8 : LCD之控制电路图

按键之控制电路与工作原理

图9为本系统按键之控制电路图,主要是启动与停止系统的运作、风速的调变及设定时间的功能,连接到PC.3的KEY1是用来启动多功能伞架之用,连接到PC.4的KEY2是用来令多功能伞架停止运转之用,连接到PD.1、PD.2、PD.3的KEY7~KEY9是用来调整伞架执行时间之用,最後连接到PC.5、PC.6、PC.7、PD.0的KEY3~KEY6是用来控制风扇的转速之用。



图9 : 按键之控制电路图
图9 : 按键之控制电路图

风扇之控制电路与工作原理

图10所示为本系统风扇之控制电路图,主要功能是将风吹到旋转中的雨伞上,吹乾雨伞上的水滴。只要经由HT66F70A的接脚PD.4~PD.7送出相对应的PWM讯号,就可以控制风扇的转速。


图10 : 风扇之控制电路图
图10 : 风扇之控制电路图

微动开关之控制电路与工作原理

图11所示为本系统微动开关之控制电路图,接脚为PB.6的微动开关处於低电位时,代表门关闭,反之,则代表开启,同时伞架将会暂停执行。接脚为PB.7的微动开关,搭配着接脚为PG.1的红外线,来侦测水箱是否达到预设的高度,若红外线处於高电位,微动开关处於低电位,则伞架暂停执行;若红外线处於低电位,微动开关处於低电位,则伞架继续执行。



图11 : 微动开关之控制电路图
图11 : 微动开关之控制电路图

蓝牙模组之控制电路与工作原理

图12为蓝牙模组(BCM-7602-G01) 的控制电路图,由於二者之间的通讯是采用UART 的方式,只要将模组上的RxD、TxD接脚与盛群HT66F70A 微控制器的PA.3(Tx) 与 PA.1(Rx) 连接在一起,就可以进行串列资料的传输,串列资料的传输速度目前设定为9600 bps。本系统可透过蓝牙模组将相关资料传给手机上以及读取手机传过来的资料。



图12 : 蓝牙模组之控制电路图
图12 : 蓝牙模组之控制电路图

作品结构

硬体部分

图13为『具智慧监控之伞架装置』的系统架构方块图,本作品是利用盛群的HT66F70A微控制器为主要的系统核心,来控制周遭的一些方块图,例如微动开关、温湿度感测器、红外线发射/接收器、伺服马达、风扇、按键、语音及音频放大器模组、LED、蓝牙模组及手机等元件,以完成整个系统的运作。


图13 : 具智慧监控之伞架装置之系统架构方块图
图13 : 具智慧监控之伞架装置之系统架构方块图

软体部分


图14 : 具智慧监控之伞架装置之控制流程图
图14 : 具智慧监控之伞架装置之控制流程图

测试方法

「具智慧监控之伞架装置」相关元件有水位感测器、红外线发射/接收器、伺服马达、风扇、按键、语音及音频放大器模组、LED、蓝牙模组及手机等元件,这些元件的测试方法如下:


具语音提示

1. 开启电源,按手机上的启动按钮


2. 若收到讯号,语音提示【伞架启动中】


3. 若水箱到达预设高度时,语音提示【水箱已满,请取出倒掉】


4. 伞架执行完毕,语音提示【伞架执行完毕】


具安全防护功能

1. 开启电源,将雨伞??入伞架中


2. 红外线侦测到雨伞,可使用手机控制。


LED提示功能

1. 开启电源,执行伞架


2. 若开始执行,LED显示红色


3. 若执行完毕,LED显示绿色


4. 若水箱已满,LED显示黄色


具侦测水位高度功能

1. 开启电源,将水倒进水箱中


2. 若到达预设高度,伞架将会暂停运作


具手机提醒功能

1. 开启电源,当伞架开始执行、执行完毕或是水箱已满


2. 系统会传送讯息至手机


具控制风扇转速功能

1. 开启电源,按下手机介面按钮


2. 按钮分别为关、弱、中、强


3. 即可控制风扇风速


具转动雨伞功能

1. 开启电源,将雨伞??入伞架


2. 将时间和风速设定好,按下启动


3. 雨伞将会开始转动


(本文为第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告;作者刘铭中1、郭书维2、黄伟哲2、?照明2、潘俊宇2为台北城市科技大学资讯工程系1教授、2学生)


叁考文献

[1] HT66F70A微控制器资料手册,盛群半导体股份有限公司。


[2] HT66Fxx Flash MCU 原理与实务-C语言,作者:锺启仁,出版社:全华。


[3] Holtek 微控制器应用范例-使用Enhanced Holtek C语言。https://goo.gl/gKVgTT


[4] HC-05与HC-06蓝牙模组补充说明。https://swf.com.tw/?p=693


[5] HC-05 Bluetooth Module https://goo.gl/BhuWfV


[6] MIT App Inventor使用Firebase云端。https://goo.gl/Rkb9bQ


[7] LED资料手册,广华电子材料有限公司。https://goo.gl/a57Uu6


[8] 伞架底部构造 https://www.youtube.com/watch?v=9auNyThI4Ko


[9] 利用pwm来控制一般pc风扇 http://icodding.blogspot.tw/2016/04/arduino-pwm-pc.html


[10] 控制伺服马达 http://atceiling.blogspot.tw/2017/03/arduino.html


[11] 别让雨具变悲剧!正确使用雨具的冷知识!


http://www.uniarts.com/web/bbs/board.php?bo_table=blog&wr_id=60&sca=12


[12] 水位感测器工作原理及结构作用 http://www.how01.com/post_QE99MERkeAzEl.html


[13] 台湾潮湿多雨 室内晾衣就等於慢性自杀? https://health.udn.com/health/story/6008/3095924


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