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結合吹風機之多功能裝置
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 臺北城市科技大學資訊工程系】   2018年10月08日 星期一

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作者:張獻中、黃曼婷、游秀雯、高立瑜、湯元騏


一、前言

創作動機

起初是想說現代租屋族這麼多,有些家電似乎買了非常不方便搬動,尤其是某些大型家電,倘若我們能使用一些現有的,而且每個家庭都會有的東西去做改良,是不是就能省下一點錢,以及偌大的擺放空間呢?由此想到可以將原產品做最小的改良,得到最大的改變的,便是吹風機,它並非擁有複雜元件之產品,卻是每個家庭幾乎都有的,無論是為了髮型好看的目的,或是吹乾頭髮不讓身體著涼,使用的產品,皆為吹風機,因此我們團隊將這一產品僅僅拉出了幾條控制線,讓廠商不必花太多心力去改變產品本身,只要加上我們設計的外掛裝置,就可以擴展出相當多的功能。


在功能部分,則是想依照產品原有的功能去做一個延伸,因此想到了能夠用於暖衣與燙衣,在燙衣的部分需加裝一蒸氣製造裝置,因此又多了些延伸的目標,如需要蒸氣的護髮,以及僅需要水氣的室內用加濕器。在於成本考量上,不希望使用者購買本裝置需要花很多的錢,因此在元件上的採用,也是以物盡其用的方式下去考量,讓元件跟本作品具有多用途與多功能。


創作目的

(1)功能性

在使用本裝置時,有四種模式的LED會給予使用者提示,行動裝置透過藍芽或WIFI與本作品作連線,以手機APP連結藍芽或WIFI來設定四種模式,在暖衣過程中隨時可監控溫濕度的變化,來調整風速與冷熱的切換,暖衣結束後,會有蜂鳴器會提醒使用者,使用者把衣服拉下即可穿上;在護髮模式中,只要使用者洗完髮後抹上護髮產品,並戴上浴帽或包上保鮮膜,用手機APP設定好後,到裝置下方進行處理,即可達到護髮功效;在加濕模式中,使用者打開布簾,並操作手機開起霧氣即可達到加濕效果;在燙衣模式中,使用者只須事先將正式服裝放入後,經由手機設定好後就能開始燙衣,此時使用者即可做其他的出門準備。


(2)創新性

過往大家生活中所使用的吹風機,僅用於吹乾頭髮,而無他用,而如今本作品賦予吹風機更多用途,本作品是一個可讓吹風機外掛的裝置,當吹風機裝上本裝置,即可擁有原本沒有的自動吹髮(僅限短髮)、暖衣、燙衣、護髮以及小坪數的室內加濕功能,使得吹風機不再只有用於吹髮時,才會顯現它的用途。而目前市面上類似於本作品的商品,皆為單一功能,且主要都只用於烘衣或乾衣的部份。


(3)實用性

本裝置是由吹風機進行改良而成,因此它除了擁有原本能吹頭髮的功能之外,還多加了許多額外的功能,讓原本單一功能的裝置變得多樣化,甚至能減少一些產品的購買,讓家中空間不被過多單一用途的電器所霸佔。另外本裝置為跟上時代的趨勢,也加裝了Wifi模組,借由網路的功能,讓本裝置也能成為智能家電的產品。


發表與否及其改良說明

本參賽作品已發表過,在過去主要以暖衣與燙衣為主要製作方向,但卻讓人有些質疑,甚至覺得或許單一功能的裝置在這方便的表現會比本作品好,事實上本作品在暖衣與燙衣,甚至是烘衣部分,皆以少量衣物為主,若以此標準來評斷,經過一定時間的測試,由裝置內部溫溼度感測器的數值變化,可證實本作品的表現不比一般類似商品遜色,不過為了避免過多的質疑,因此如今改以暖衣與護髮為主要賣點,當然也加強各功能的穩定性,使本作品隨時有最好的狀態,讓不同於市面商品的功能更為突出,進而顯現出本作品的好。


二、工作原理

工作原理及其功能

(1)國產盛群MCU HT66F70A

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,無需週邊元件。


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、電子控制工具與馬達控制等方面。



圖1 : HT66F70A內部結構圖
圖1 : HT66F70A內部結構圖

(2)藍芽無線傳輸模組Bluetooth BC04

藍芽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。藍芽運行在2.4GHz的非授權ISM頻段,通信距離只有10m左右。 藍芽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。藍芽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 公司主導成立的藍芽特殊利益集團(Bluetooth SIG)來完成。藍芽特殊利益集團在1999年發佈最 早的Bluetooth 1.0規範版本,藍芽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2 : 藍芽模組外觀圖
圖2 : 藍芽模組外觀圖

(3)繼電器LEG-3

磁簧繼電器是以線圈產生磁場將磁簧管作動之繼電器,為一種線圈傳感裝置。因此磁簧繼電器之特徵、小型尺寸、輕量、反應速度快、短跳動時間等特性。當整塊鐵磁金屬或者其它導磁物質與之靠近的時候,發生動作,開通或者閉合電路。由永久磁鐵和干簧管組成。永久磁鐵、干簧管固定在一個不導磁也不帶有磁性的支架上。以永久磁鐵的南北極的連線為軸線,這個軸線應該與干簧管的軸線重合或者基本重合。由遠及近的調整永久磁鐵與干簧管之間的距離,當干簧管剛好發生動作(對於常開的干簧管,變為閉合;對於常閉的干簧管,變為斷開)時,將磁鐵的位置固定下來。這時,當有整塊導磁材料,例如鐵板同時靠近磁鐵和干簧管時,干簧管會再次發生動作,恢復到沒有磁場作用時的狀態;當該鐵板離開時,干簧管即發生相反方向的動作。磁簧繼電器結構堅固,觸點為密封狀態,耐用性高,可以作為機械設備的位置限制開關,也可以用以探測鐵制門、窗等是否在指定位置。


規格: 10A 120VAC


10A 24VDC



圖3 : 繼電器外觀圖
圖3 : 繼電器外觀圖

(4)溫溼度感測器AM2302 DHT22

AM2302數位溫濕度感測器是一款含有已校準數位信號輸出的溫濕度複合感測器。它應用專用的數位模組採集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。感測器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,並與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快回應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個AM2302感測器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準係數以程式的形式儲存在OTP記憶體中,感測器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。單線制串列介面,使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上,使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為 4 針單排引腳封裝。連接方便,特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。



圖4 : 溫濕感測器外觀圖
圖4 : 溫濕感測器外觀圖

(5)超音波霧化模組 HA-16-112E-LO

當振動子在水中產生超音波時,會產生一道快速的水流,在液體表面處會有超音波束的聚焦作用,形成超音波噴泉。霧化粒徑均勻;霧化粒徑易於調整,無長存液體負載,霧化效率極高,無空化現象,霧化穩定,結構小型簡化,金屬箔噴嘴無慮壓電陶瓷潮濕黏度低於15CP值之液體均可霧化。


● 電氣參數:


諧振頻率fr = 112kHz±3 kHz


諧振阻抗Ro = max. 80Ω


靜態電容Cp = 3000pF±15%


● 霧化片最大輸入峰值:Vp-p: Max: 80V


● 霧化片最大輸入功率:2W,


正常使用:1~1.5W


● 霧化片規格:¢16mm-112±3kHz


圖5 : 超音波霧化器外觀圖
圖5 : 超音波霧化器外觀圖

(6)萬年曆模組 DS1307

DS1307是一款低功耗,具有56位元組非失性RAM的全BCD碼時鐘日曆即時時鐘晶片,位址和資料通過兩線雙向的串列匯流排的傳輸,晶片可以提供秒,分,小時等資訊,每一個月的天數能自動調整。並且有閏年補償功能。AM/PM 標誌位元決定時鐘工作於24小時或12小時模式,晶片有一個內置的電源感應電路,具有掉電檢測和電池切換功能。


DS1307特點:


●時、分、秒、每月、每周能記述及轉換、有閏年補償、記年上線2100。


●56位元組非失性的RAM


●兩線串列介面


●可編程方波輸出


●自動掉電檢測和切換電路


●在電池備份模式下,功耗小於500Na



圖6 : 萬年曆外觀圖
圖6 : 萬年曆外觀圖

(7)無線傳輸模組Wifi (ESP8266)

ESP8266專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用設計,並與其他幾項專利技術一起使機器實現最低能耗。為滿足移動設備和可穿戴性電子產品的功率需求,ESP8266在近距離時可以通過軟件編程減少PA的輸出功率來降低整體功耗,以適應不同的應用方案。


● 工作電壓:3.3V


● 消耗電流:


待機:<200uA


工作:70mA~200 mA


● 工作頻率:2.4G Hz


● 輸出功率:12 dBm。


● 接收靈敏度:-68dBm。


● 待機狀態消耗功率<1.0mW。


● 三種工作模式:


SAT:透過路由器連接網路 。


AP:做為 AP 提供設備連結 。


SAT+AP:混合模式。



圖7 : 無線傳輸模組外觀圖
圖7 : 無線傳輸模組外觀圖

(8)RGB LED

RGB燈是以三原色共同交集成像,此外也有藍光LED配合黃色熒光粉,以及紫外LED配合RGB熒光粉,整體來說,這兩種都有其成像原理,但是衰減問題與紫外線對人體影響,都是短期內比較難解決的問題,因此雖然都可以達到白光的需求,卻有不同的結果。


圖8 : RGB LED外觀圖
圖8 : RGB LED外觀圖

三、作品結構

系統方塊

本系統以HT66F70A作為核心,其以八位元精簡指令之微控制器核心為主體,搭配快閃式程式記憶體(Flash Program Memory)、資料記憶體(包含RAM Data Memory) 、輸入/輸出閘(I/O Ports)、計時模組(Timer Moudle;TM) 、中斷控制電路(Interrupt Controller)與看門狗計時器(Watchdog Timerl;WDT) ,用它來控制溫濕度感測器(DHT-22)、蜂鳴器、RGB LED、繼電器(SY-5-K)、超音波霧化模組(HA-16-112E-LO) 、SPI/I2C串列界面模組(Serial Interface Module;SIM)萬年曆(DS1307) 、藍芽與WiFi模組。


RGB LED燈的顏色,所代表的模式:


白燈:待機模式、自訂模式


黃燈:暖衣模式


紅燈:燙衣模式(開機時表示裝置預備中)


紫燈:護髮模式


綠燈:加濕模式


藍燈:藍芽連結中



圖9 : 系統方塊圖
圖9 : 系統方塊圖

APP程式流程

由圖10可知,本系統有兩種傳輸方式,分別是藍芽及Wifi。當使用者使用APP設定完裝置後,裝置會依據使用者的選擇,藉由藍芽或Wifi來接收「目前模式」、「時間」、「暖熱風」及「霧氣」等指令,像收到「目前模式」會依據模式來顯示代表該模式之燈色。而在啟動吹風機時,內部裝置會每隔一段時間自行判斷內部溫度是否超過安全溫度,若超過便立馬關閉吹風機,並經由藍芽或Wifi傳給APP或上傳雲端,告知使用者溫度過高的訊息,若溫度降下,低於危險溫度後則會重新啟動,繼續完成未完成的工作(如時間在安全機制啟動期間已到達,則將回到待機狀態)。


圖10 : APP程式流程圖
圖10 : APP程式流程圖

裝置APP

圖11 : 手機APP首頁面
圖11 : 手機APP首頁面
圖12 : 手機APP設定頁面
圖12 : 手機APP設定頁面
圖13 : 手機APP溫溼度監看頁面
圖13 : 手機APP溫溼度監看頁面

四、測試方法

(1)藍牙收/發控制

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14 : 藍牙指令表
圖14 : 藍牙指令表

(2)溫溼度感測器DHT-22

DHT22數位溫濕度感測器是一款含有已校準數位信號輸出的溫濕度複合傳感器。它應用專用的數位模組採集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。感測器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件,並與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT22感測器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準係數以程式的形式儲存在OTP記憶體中,感測器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。


DATA 用於微處理器與DHT22之間的通訊和同步,採用單匯流排資料格式,一次通訊時間4ms左右,資料分小數部分和整數部分,具體格式在下面說明,當前小數部分用於以後擴展,現讀出為零。


操作流程如下:


一次完整的資料傳輸為40bit,高位先出。資料格式:8bit濕度整數資料+8bit濕度小數資料+8bi溫度整數資料+8bit溫度小數資料+8bit校驗和資料傳送正確時校驗和資料等於”8bit濕度整數資料+8bit濕度小數資料+8bi溫度整數資料+8bit溫度小數資料”所得結果的末8位。


主機把匯流排拉低等待DHT22響應,主機把匯流排拉低必須大於18毫秒,保證DHT22能檢測到起始信號。DHT22接收到主機的開始信號後,等待主機開始信號結束,然後發送80us低電平回應信號.主機發送開始信號結束後,延時等待20-40us後, 讀取DHT22的回應信號,主機發送開始信號後,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均。



圖15 : 溫濕感測器讀取方法
圖15 : 溫濕感測器讀取方法

匯流排為低電平,說明DHT22發送響應信號,DHT22發送響應信號後,再把匯流排拉高80us,準備發送資料,每一bit資料都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了資料位元是0還是1.格式見下麵圖示.如果讀取回應信號為高電平,則DHT22沒有回應,請檢查線路是否連接正常.當最後一bit資料傳送完畢後,DHT22拉低匯流排50us,隨後匯流排由上拉電阻拉高進入空閒狀態。


參考文獻

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