杜 虹 周 杰

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226010；2.淮陰工學(xué)院，淮安 223001）

南方空氣濕度大且有梅雨季節(jié)，冬天天氣陰冷，潮濕，不利于毛巾干燥、衛(wèi)生，以及部分地區(qū)的衛(wèi)生間狹小、潮濕、采光通風(fēng)條件不好，不易晾曬等，不利于毛巾通風(fēng)干燥，這就導(dǎo)致毛巾潮濕，容易滋生細(xì)菌。尤其南方的職工宿舍、學(xué)生宿舍、酒店等較擁擠的場(chǎng)所有一半處于北面，毛巾多，且放毛巾的衛(wèi)生間狹小，不利于毛巾干燥、容易滋生細(xì)菌，使用者帶來(lái)很不好的使用體驗(yàn)，并帶來(lái)健康隱患。鑒于此，設(shè)計(jì)制作一個(gè)由基于Arduino的程序控制的自動(dòng)加熱烘干毛巾的設(shè)備。該產(chǎn)品適用于酒店客房，工人宿舍，限制用電器功率的大學(xué)生住宿及家庭等。其使用成本低，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)用于一切想要提升毛巾使用體驗(yàn)的人群。

1 Arduino概述

“Arduino是一款便捷靈活、容易上手的開(kāi)源電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。其功能十分強(qiáng)大，能在僅僅數(shù)平方厘米的面積上集成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一部微型的計(jì)算機(jī)，只要開(kāi)發(fā)者寫(xiě)得出來(lái)代碼其就能夠完成各種控制任務(wù)，而且用簡(jiǎn)單易懂的C語(yǔ)言就能編程，很大程度降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻，使編程人員能夠快速上手開(kāi)發(fā)；最重要的是這是一個(gè)開(kāi)源平臺(tái)，意味著其所有的電路圖、軟件源碼、核心庫(kù)文件都對(duì)所有人開(kāi)放，這種情況下就如基于Linux的Android一樣所有的開(kāi)發(fā)者都能將自己的各種奇思異想變成各種代碼、硬件設(shè)計(jì)添加到這個(gè)平臺(tái)上，這賦予了Arduino極大的活力，使Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)在極短時(shí)間內(nèi)火遍全球，被大量開(kāi)發(fā)者應(yīng)用在自己開(kāi)發(fā)的硬件中。

本設(shè)計(jì)是采用Arduino平臺(tái)進(jìn)行經(jīng)設(shè)計(jì)的，因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)。

1.1 便宜

Arduino板相當(dāng)便宜。最廉價(jià)的Arduino能夠自己動(dòng)手制作，即便組裝好的成品，也不會(huì)超出200元。

1.2 跨平臺(tái)

Arduino軟件在Window，Linux和Macintosh OSX平臺(tái)上都可以操作，而其他大部分單片機(jī)只能運(yùn)行在Window操作系統(tǒng)下。

1.3 簡(jiǎn)易的操作環(huán)境

初學(xué)者很容易就可以學(xué)會(huì)Arduino的編程情況，同時(shí)，還能為高級(jí)用戶提供更高級(jí)的運(yùn)用。不論對(duì)于教師還是學(xué)生，一般都很容易運(yùn)用processing編程環(huán)境。

1.4 軟件開(kāi)源并可拓展

Arduino軟件是開(kāi)源的，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的程序員是可以拓展的。Arduino編程語(yǔ)言可以通過(guò)c++庫(kù)進(jìn)行拓展。因?yàn)锳rduino語(yǔ)言是基于AVR c語(yǔ)言的，所以如果有人想要了解技術(shù)上的細(xì)節(jié)，可以通過(guò)Arduino語(yǔ)言直接使用AVR c語(yǔ)言。若是有需要的話，也能在Arduino中寫(xiě)入AVR c語(yǔ)言。

1.5 硬件開(kāi)源并可拓展

Arduino是基于ateml 的atmelga8和atmelga128/328的單片機(jī)，遵守creative Commons許可協(xié)議。所以，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以按照自己需求設(shè)計(jì)自己的模塊，并對(duì)其進(jìn)行拓展和改造。甚至對(duì)于一些相對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的用戶，可以通過(guò)制作實(shí)驗(yàn)板來(lái)理解Arduino是如何工作的，既省錢(qián)又方便。

圖1 Arduino Nano開(kāi)發(fā)板

2 電氣總體設(shè)計(jì)

結(jié)合使用人群，使一般大學(xué)生、打工者，甚至工人群體都能夠負(fù)擔(dān)得起，使老人、小孩都能夠方便操作，服務(wù)更多群體。該毛巾架功能要簡(jiǎn)單、最大可能減少人力、物力，安裝便捷，使用簡(jiǎn)單，因此，只有毛巾烘干功能，且設(shè)備要使用成本低、售價(jià)低，安全高效，根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)要求，這個(gè)毛巾架的功率只有50W左右。采用Arduino平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠滿足使用成本低、售價(jià)低的特點(diǎn)。

2.1 產(chǎn)品功能

為達(dá)到這個(gè)目的，該設(shè)計(jì)滿足了以下功能。

（1）高低功耗+電池供電模式。正常情況下會(huì)使用24V的標(biāo)準(zhǔn)功耗模式工作。此模式下烘干功率高，烘干速度更快。但用電條件不理想時(shí)，比如，用電功率限制嚴(yán)格的情況下，可以改用手機(jī)變壓器或者充電寶供電的5V低功耗模式。此模式下烘干功率很低，近似于毛巾保溫模式。

（2）熱風(fēng)烘干。在電熱絲加熱毛巾被動(dòng)蒸發(fā)烘干的基礎(chǔ)上，毛巾架內(nèi)置鼓風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹到毛巾上進(jìn)一步加速了水分蒸發(fā)，使毛巾能更加快速烘干。

（3）多重安全保護(hù)。與潮濕毛巾接觸的用電設(shè)備的安全防護(hù)十分重要。

首先采用電源與毛巾架分體式設(shè)計(jì)。將電源獨(dú)立出來(lái)遠(yuǎn)離毛巾架，減少水濺射到電源上的幾率。其次毛巾烘干架主體所使用的電源最高是DC 24V，避免了使用者因潮濕而觸電。此外，在長(zhǎng)期接觸潮濕毛巾的不銹鋼橫桿與塑料固定支架之間在工廠組裝時(shí)都會(huì)用膠水密封。

在電路中上設(shè)置了過(guò)電流過(guò)電壓保護(hù)，電流或電壓有一項(xiàng)超過(guò)設(shè)定安全值也會(huì)自動(dòng)斷電，而且24V直流電源也自帶短路保護(hù)。

2.2 工作模式

該產(chǎn)品具有兩種烘干模式，兩種不同的工作電壓，根據(jù)以下幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.2.1 兩種烘干模式

（1）自動(dòng)（默認(rèn)）模式，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了一定的加熱時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)自動(dòng)開(kāi)始烘干，直到達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)自動(dòng)停止。此種模式主要是為了方便使用，一般情況下打開(kāi)電源就不需要再進(jìn)行其他操作，方便高效。

（2）限時(shí)模式，通過(guò)點(diǎn)按按鈕選擇不同的工作時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)一直工作，直到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)才停止。此種模式是為了適應(yīng)大小不同的毛巾，給使用者更多的選擇，產(chǎn)品適用面更廣。

2.2.2 兩種工作電壓（DC）

（1）低功率模式（DC電壓：5V，電流：2A）：充電寶供電，或手機(jī)充電器供電（此種情況適用于限制電阻絲類電器及用電功率的學(xué)生宿舍）。

（2）高功率模式（DC電壓：24V，電流：2A）：此種模式使用的是更高功率的變壓器供電，因?yàn)楦唠妷?、更大電流的情況下可以實(shí)現(xiàn)更迅速烘干。

3 元件選型

此設(shè)計(jì)使用的主要電子元件有：Arduino nano開(kāi)發(fā)板。

（1）ARduino nano采用的是micro.USB接口，考慮到Arduinonano開(kāi)發(fā)板體積更小，僅有18mm×45mm，更易于產(chǎn)品的小型化，Arduino nano開(kāi)發(fā)板相比Arduino UNO和Arduino 101開(kāi)發(fā)板更加便宜，在產(chǎn)品成本方面更具優(yōu)勢(shì)，所以，此設(shè)計(jì)最終選用了Arduino nano開(kāi)發(fā)板作為控制板。

（2）Arduino 5V高電平觸發(fā)繼電器。采用繼電器進(jìn)行控制可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行得更加穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)。VCC：接電源正極；GND：接電源負(fù)極；IN：繼電器模組信號(hào)觸發(fā)端；常開(kāi)端（NO）：繼電器常開(kāi)端；常閉端（NC）：繼電器的常閉端；公共端（COM）：繼電器的公共端。

圖2 Arduino nano開(kāi)發(fā)板

圖3 Arduino繼電器

（3）云輝 MP1584EN DC.DC24V轉(zhuǎn)5V可調(diào)降壓模塊。此模塊為貼片模塊，體積極為小巧且功率很大滿足使用要求，便于設(shè)備小型化。輸入電壓：4.5～28V；輸出電壓：0.8～20V；輸出電流：3A（最大）；工作溫度：-45～+85℃；尺寸大?。?2mm×17mm×4mm（長(zhǎng)×寬×高）。

（4）靜音5015凈化器渦輪鼓風(fēng)機(jī)。功率極低，靜音效果良好，設(shè)備運(yùn)行時(shí)能夠更加安靜。額定電壓：DC 5V；額定電流：0.06A；轉(zhuǎn)數(shù)：2200±10%RPM；噪音：18DBA；出風(fēng)口尺寸：20mm×15mm。

圖4 直流24V轉(zhuǎn)直流5V變壓器

圖5 渦輪鼓風(fēng)機(jī)

（5）特氟龍電熱絲5V～24V、40Ω/m與150Ω/m的加熱線。耐高溫特氟龍外皮電熱絲與硅橡膠外皮的碳纖維電熱絲，通電加熱使用時(shí)安全穩(wěn)定。電熱絲選型如表1所示。

表1 電熱絲選型

4 硬件設(shè)計(jì)

整體接線方式如圖6所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

該控制過(guò)程靈活多樣，分為三個(gè)模式：（1）通電默認(rèn)執(zhí)行8h工作時(shí)間；不需要任何其他的操作；（2）按第一次按鈕執(zhí)行6h工作時(shí)間；（3）按第二次按鈕執(zhí)行4h工作時(shí)間；（4）按第三次按鈕進(jìn)入待機(jī)，停止加熱；（5）按第四次按鈕回步驟1。

圖6 整體接線圖

程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程

6 結(jié)論

通過(guò)成功調(diào)試、試用，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成潮濕毛巾的烘干殺菌，耗電量低，大約在50W，能夠很好地解決毛巾潮濕細(xì)菌滋生的問(wèn)題，能明顯改善使用體驗(yàn)，提升使用者的生活質(zhì)量。本設(shè)計(jì)與其他相似產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于采用成熟的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全高效，且使用成熟的平臺(tái)更有益于成本控制及產(chǎn)品更新。